Báo cáo Phương pháp gia nhiệt cho lòng khuôn âm trong qui trình phun ép nhựa (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Phương pháp gia nhiệt cho lòng khuôn âm trong qui trình phun ép nhựa (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG PHƯƠNG PHÁP GIA NHIỆT CHO LÒNG KHUÔN ÂM TRONG QUI TRÌNH PHUN ÉP NHỰA MÃ SỐ: T2015-02TÐ S KC 0 0 5 3 3 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG TRỌNG ĐIỂM Phƣơng pháp gia nhiệt cho lòng khuôn âm trong qui trình phun ép nhựa Mã số: T2015-02TĐ Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Văn Minh TP. HCM, 10/2015
3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ: KHOA CƠ KHÍ MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG TRỌNG ĐIỂM Phƣơng pháp gia nhiệt cho lòng khuôn âm trong qui trình phun ép nhựa Mã số: T2015-02TĐ Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Văn Minh TP. HCM, 10/2015
4. MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH 4 DANH MỤC BẢNG 7 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 1 CHƢƠNG 1: Tổng quan 4 I. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nƣớc 4 1. Ngoài nƣớc 4 2. Trong nƣớc 7 II. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 8 III. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 8 IV. Phƣơng pháp nghiên cứu 8 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 9 I. Tổng quan về khuôn ép nhựa 9 1. Khái niệm chung về khuôn 9 2. Phân loại 9 a. Khuôn 2 tấm 9 b. Khuôn 3 tấm 11 c. Khuôn nhiều tầng 12 3. Kết cấu chung của một bộ khuôn 13 4. Bộ phận gia nhiệt 15 a. Nhiệm vụ của bộ phận gia nhiệt khuôn 15 b. Giải pháp gia nhiệt cho khuôn 16 II. Tính toán hệ thống làm nguội cho sản phẩm 16 1. Tầm quan trọng của hệ thống làm nguội 16 2. Một số lƣu khi thiết kế hệ thống làm nguội theo kinh nghiệm 17 3. Chọn giải pháp gia nhiệt cho khuôn 18 a. Thanh điện trở (Heater) 19 b. Cảm biến nhiệt (Thermocouple) 20 III. Phần mềm mô phỏng ANSYS 14.0 20 1. Giới thiệu phần mềm 20 2. Giới thiệu phiên bản ANSYS 14.0 và hƣớng dẫn sử dụng 21 CHƢƠNG 3: PH N TÍCH CAE 29 I. Tìm vị trí Heater và Cooling Channel 29 1. Bài toán 1 29 1
5. a. Trƣờng hợp 1 29 b. Trƣờng hợp 2 30 c. Trƣờng hợp 3 32 2. Bài toán 2 34 a. Trƣờng hợp 1 34 b. Trƣờng hợp 2 36 c. Trƣờng hợp 3 38 II. Thay đổi kích thƣớc 43 1. Thay đổi bề dày sản phẩm (Hp) 44 2. Thay đổi chiều dài sản phẩm (Lp) 47 3. Thay đổi chiều rộng sản phẩm (Wp) 51 4. Thay đổi chiều dày insert (Tm) 53 5. Thay đổi chiều dài insert (Lm) 57 6. Thay đổi chiều rộng insert (Wm) 60 III. Thay đổi vật liệu 63 1. Đ c tính của các vật liệu mô phỏng 63 2. Tính chất của 1 số loại vật liệu d ng trong mô phỏng 63 a. Thép P20 63 b. Thép C45 64 c. Nhôm 64 3. Kết quả mô phỏng thay đổi vật liệu 65 a. Thép C45 65 b. Thép P20 66 c. Nhôm 66 IV. Kết luận chung 68 CHƢƠNG 4: CHẾ T O THỬ- TH C NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ 69 I. Chế tạo 69 1. Quá trình chuẩn bị 69 a. Bản v 69 b. Phôi 69 c. Dụng cụ 69 2. Gia công insert 69 II. Trình tự để thực hiện mô hình thực nghiệm 72 1. Lắp đ t các thiết bị 72 2. Lựa chọn thiết bị đo 73 a. Giới thiệu 73 b. Cách đo nhiệt độ 76 2
6. III. So sánh kết quả thí nghiệm với thực nghiệm 78 1. Thép C45 78 2. Thép P20 79 3. Nhôm 81 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83 I. Kết luận 83 II. Kiến nghị 83 3
7. MỤC LỤC HÌNH Hình 2.1 Kết cấu chung của 1 bộ khuôn 2 tấm 10 Hình 2.2 Cấu tạo của khuôn 3 tấm 11 Hình 2.3 Kết cấu một bộ khuôn nhiều tầng 13 Hình 2.4 Kết cấu chung của một bộ khuôn 14 Hình 2.5 Biểu đồ các d ng nhiệt khi nhựa đƣợc phun vào khuôn 15 Hình 2.6 Sự xuất hiện đƣờng hàn khi hai d ng nhựa g p nhau 15 Hình 2.7 Loại thanh điện trở d ng cho khuôn. 19 Hình 2.8 Cấu tạo của thermocouple (c p nhiệt điện) 20 Hình 2.9 Giao diện ANSYS 14.0 21 Hình 2.10 Các phƣơng pháp mô phỏng 22 Hình 2.11 Thẻ mô phỏng 22 Hình 2.12 Thƣ viện vật liệu 22 Hình 2.13 Thông số của vật liệu 23 Hình 2.14 Thẻ file trong Geometry 23 Hình 2.15 Nhập chi tiết và giao diện làm việc của Geometry 23 Hình 2.16 Outline 24 Hình 2.17 Mesh - Sizing 24 Hình 2.18 Details of “Body Sizing” - Sizing 24 Hình 2.19 Chi tiết sau khi Mesh 25 Hình 2.20 Thiết lập thông số Transient Thermal 25 Hình 2.21 Details of “Initial Temperature” 25 Hình 2.22 Details of “Analysis Settings” 25 Hình 2.23 Các kiểu gia nhiệt và giải nhiệt 26 Hình 2.24 Details of “Heat Flow” 26 Hình 2.25 Chọn vị trí cho gia nhiệt 26 Hình 2.26 Details of “Convection” 27 Hình 2.27 Chọn vị trí cho giải nhiệt 27 Hình 2.28 Kết quả và bảng số liệu 27 Hình 3.1 Vị trí Heater và Cooling Channel ở thiết kế 1 29 Hình 3.2 Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độở thiết kế 1 29 4
8. Hình 3.3 Biểu đồ nhiệt độ bề m t l ng insert trong thiết kế 1 30 Hình 3.4 Vị trí Heater và Cooling Channel ở thiết kế 2 31 Hình 3.5 Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độở thiết kế 2 31 Hình 3.6 Biểu đồ nhiệt độ bề m t l ng insert trong thiết kế2 32 Hình 3.7 Vị trí Heater và Cooling Channel ở thiết kế 3 33 Hình 3.8 Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độở thiết kế 3 33 Hình 3.9 Biểu đồ nhiệt độ bề m t l ng insert trong thiết kế 3 33 Hình 3.10 Vị trí Heater và Cooling Channel ở thiết kế 4 35 Hình 3.11 Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độở thiết kế 4 35 Hình 3.12 Biểu đồ nhiệt độ bề m t l ng insert trong thiết kế 4 35 Hình 3.13 Vị trí Heater và Cooling Channel ở thiết kế 5 37 Hình 3.14 Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độở thiết kế 5 37 Hình 3.15 Biểu đồ nhiệt độ bề m t l ng insert trong thiết kế 5 38 Hình 3.16 Vị trí Heater và Cooling Channel ở thiết kế 6 39 Hình 3.17 Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độở thiết kế 6 39 Hình 3.18 Biểu đồ nhiệt độ bề m t l ng insert trong thiết kế 6 40 Hình 3.19 Thiết kế hợp l nhất 41 Hình 3.20 Mô phỏng phân tích nhiệt độ bề m t khuôn ở thiết kế chuẩn 42 Hình 3.21 Biểu đồ thể hiện nhiệt độ toàn quá trình mô phỏng 43 Hình 3.22 Kích thƣớc bề dày sản phẩm (Hp) 45 Hình 3.23 Nhiệt độ trên bề m t khi thay đổi chiều dày sản phẩm (Hp) 45 Hình 3.24 M t cắt A – A của trƣờng hợp thay đổi chiều dày sản phẩm (Hp) 46 Hình 3.25 Biểu đồ nhiệt độ khi thay đổi chiều dày sản phẩm (Hp) 47 Hình 3.26 Kích thƣớc chiều dài sản phẩm (Lp) 48 Hình 3.27 Nhiệt độ trên bề m t khi thay đổi chiều dài sản phẩm (Lp) 48 Hình 3.28 M t cắt A – A khi thay đổi chiều dài sản phẩm (Lp) 49 Hình 3.29 Biểu đồ nhiệt độ khi thay đổi chiều dài sản phẩm (Lp) 50 Hình 3.30 Kích thƣớc chiều rộng sản phẩm (Wp) 51 Hình 3.31 Nhiệt độ trên bề m t khi thay đổi chiều rộng sản phẩm (Wp) 51 Hình 3.32 M t cắt A – A khi thay đổi chiều rộng sản phẩm (Wp) 52 Hình 3.33 Biểu đồ nhiệt độ khi thay đổi chiều rộng sản phẩm (Wp) 53 Hình 3.34 Kích thƣớc chiều dày insert (Tm) 54 5
9. Hình 3.35 Nhiệt độ trên bề m t khi thay đổi chiều dày insert (Tm) 54 Hình 3.36 M t cắt A – A khi thay đổi chiều dày insert (Tm) 55 Hình 3.37 Biểu đồ nhiệt độ khi thay đổi chiều dày insert (Tm) 56 Hình 3.38 Kích thƣớc chiều dài insert (Lm) 57 Hình 3.39 Nhiệt độ trên bề m t khi thay đổi chiều dài insert (Lm) 57 Hình 3.40 M t cắt A – A khi thay đổi chiều dài insert (Lm) 58 Hình 3.41 Biểu đồ nhiệt độ khi thay đổi chiều dài insert (Lm) 59 Hình 3.42 Kích thƣớc chiều rộng insert (Wm) 60 Hình 3.43 Nhiệt độ trên bề m t khi thay đổi chiều rộng insert (Wm) 60 Hình 3.44 M t cắt A – A khi thay đổi chiều rộnginsert (Wm) 61 Hình 3.45 Biểu đồ nhiệt độ khi thay đổi chiều rộng insert (Wm) 62 Hình 3.46 Mô phỏng phân bố nhiệt độ vật liệu thép C45 trên phần mềm 66 Hình 3.47 Mô phỏng phân bố nhiệt độ vật liệu thép P20 trên phần mềm 66 Hình 3.48 Mô phỏng phân bố nhiệt độ vật liệu Al trên phần mềm 67 Hình 3.49 Biểu đồ thể hiện nhiệt độ bề m t tấm Insert gi a các loại vật liệu 67 Hình 4.1 Bản v chi tiết gia công 69 Hình 4.2 L ng khuôn insert khuôn âm sau khi gia công 70 Hình 4.3 Quá trình khoan đƣờng nƣớc 71 Hình 4.4 Ren sau khi gia công 71 Hình 4.5 L ng khuôn sau khi đánh bóng 72 Hình 4.6 Insert sau khi lắp đầu nƣớc 72 Hình 4.7 Hệ thống điều khiển cho giải nhiệt khuôn 73 Hình 4.8 Insert sau khi lắp đ t hệ thống gia nhiệt và giải nhiệt (Nhôm) 73 Hình 4.9 Insert sau khi lắp đ t hệ thống gia nhiệt và giải nhiệt (thép C45) 73 Hình 4.10 Insert sau khi lắp đ t hệ thống gia nhiệt và giải nhiệ t (thép P20) 73 Hình 4.11 Thiết bịđo IR Thermometer Model 42509 74 Hình 4.12 Các bộ phận bên ngoài 76 Hình 4.13 Màn hình hiển thị 76 Hình 4.14 Biểu đồ nhiệt độ so sánh gi a mô phỏng với thực nghiệm thép C45 . 78 Hình 4.15 Biểu đồ nhiệt độ so sánh gi a mô phỏng với thực nghiệm thép P20 80 Hình 4.16 Biểu đồ nhiệt độ so sánh gi a mô phỏng với thực nghiệm Nhôm 81 6
10. DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Đƣờng kính kênh làm nguội theo kinh nghiệm sản xuất. 17 Bảng 3.1 Đƣờng kính kênh dẫn theo kinh nghiệm sản xuất 36 Bảng 3.2 Các thông số đầu vào 43 Bảng 3.3 Các kích thƣớc đƣợc thay đổi khi mô phỏng 44 Bảng 3.4 Thành phần hóa học thép P20 63 Bảng 3.5 Độ dẫn nhiệt của thép P20 64 Bảng 3.6 Thành phần hóa học thép C45 64 Bảng 3.7 Các thông số đầu vào 65 Bảng 3.8 Các vật liệu mô phỏng 65 7
11. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CAE: Computer Aided Engineering 1
12. BM 08T. Thông tin kết quả nghiên cứu TRƢỜNG Đ I HỌC SƢ PH M KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ĐƠN VỊ: Khoa Cơ Khí Máy Tp. HCM, ngày tháng 02 năm 2016 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Phƣơng pháp gia nhiệt cho lòng khuôn âm trong qui trình phun ép nhựa. - Mã số: T2015-02TĐ - Chủ nhiệm: NGUYỄN VĂN MINH - Cơ quan chủ trì: Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 12 tháng 2. Mục tiêu: Thông qua quá trình nghiên cứu và thực nghiệm, đề tài “Phƣơng pháp gia nhiệt cho lòng khuôn âm trong qui trình phun ép nhựa”. S làm rõ các mục tiêu nhƣ sau: - Ảnh hƣởng của hình dạng cuộn dây đến phân bố nhiệt trong l ng khuôn - Ảnh hƣởng hình dạng hình học của l ng khuôn đến phân bố nhiệt độ của khuôn. 3. Tính mới và sáng tạo: Kết quả về phân bố nhiệt độ trong l ng khuôn s đƣợc quan sát và phân tích theo phƣơng pháp mô phỏng và thực nghiệm. 4. Kết quả nghiên cứu: Biểu đồ phân bố nhiệt độ l ng khuôn âm. 5. Sản phẩm: Bài báo đăng trên tạp chí Khoa học và công nghệ các trƣờng đại học 106 (2015) trang 013-018 6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Các kế quả nghiên cứu s đƣợc chuyển giao cho các cơ sở sản xuất nhựa theo phƣơng pháp phun ép nhằm nâng cao khả năng sản xuất và d ng làm tài liệu tham khảo cho quá trình thiết kế và chế tạo khuôn. Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) NGUYỄN VĂN MINH INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 2
13. 1. General information: Project title: Research the method to heat the cavity in the injection molding technology. Code number: T2015-02TĐ Coordinator: Nguyen Van Minh Implementing institution: HCMC University of Technology and Education Duration: 12 months 2. Objective(s): The product deformation in arc welding process will be studied by these targets: - The affection of the coil form to the heat of distribution in the cavity. - The affection of the cavity geometry to the heat of distribution in the cavity. 3. Creativeness and innovativeness: The result of the heat of distribution in the cavity will be research by simulation and experiment. 4. Research results: According to this research, the diagram of the heat of distribution in the cavity. 5. Products: the article was accepted for publishing. Journal of Science & Technology106 (2015) trang 013-018 6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability: The result will be discussed with the company for disseminating and having more co- operation. 3
14. CHƢƠNG 1: Tổng quan I. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nƣớc 1. Ngoài nƣớc Hiện nay, với đà phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ vật liệu đóng vai tr quan trọng trong quá trình sản xuất. Khi sản xuất các sản phẩm nhựa theo phƣơng pháp phun ép truyền thống (Hình 1), hạt nhựa sau khi đƣợc sấy khô s đƣợc đƣa vào phễu chứa của máy phun ép, thông qua quá trình gia nhiệt, vật liệu thô s đạt đến nhiệt độ nóng chảy (melt temperature) và đƣợc phun ép vào l ng khuôn. Với qui trình truyền thống nhƣ trên, quá trình phun ép có thể g p một số vấn đề nhƣ: độ nhớt của d ng nhựa tăng, gây khó khăn cho quá trình điền đầy l ng khuôn, độ co rút của sản phẩm lớn, Do đó, nhằm giảm độ co rút của sản phẩm, cũng nhƣ nâng cao khả năng điền đầy l ng khuôn, nhiều hƣớng nghiên cứu đã đƣợc đề xuất. Trong đó, công nghệ điều khiển nhiệt độ khuôn là một trong nh ng giải pháp hiệu quả nhất [1]. Hình 1: Qui trình phun ép nhựa truyền thống. Hiện nay, trong lĩnh vực khuôn phun ép nhựa, điều khiển nhiệt độ khuôn tối ƣu là một trong nh ng cách hiệu quả nhất nhằm nâng cao chất lƣợng bề m t khuôn [1, 2]. Nhìn chung, nếu nhiệt độ bề m t l ng khuôn cao, quá trình điền đầy nhựa s đƣợc dễ dàng hơn, và trong hầu hết các trƣờng hợp, chất lƣợng bề m t sản phẩm s đƣợc cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ của các tấm khuôn tang cao, quá trình giải nhiệt của khuôn nhựa s bị kéo dài, và chu kỳ phun ép s tốn nhiều thời gian, giá thành sản phẩm cũng s gia tăng. Vì vậy, mục tiêu quan trọng của quá trình điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép là: gia nhiệt cho bề m t khuôn đến nhiệt độ yêu cầu, nhƣng vẫn đảm bảo thời gian chu kỳ phun ép không quá dài. Nhìn chung, dựa vào ảnh hƣởng nhiệt độ lên tấm khuôn, quá trình gia nhiệt cho khuôn phun ép đƣợc chia làm 2 nhóm chính: gia nhiệt cả tấm khuôn (volume heating) và gia 4
15. nhiệt cho bề m t khuôn (surface heating). Trong nhóm thứ nhất, phƣơng pháp gia nhiệt bằng hơi nƣớc (steam heating) nhƣ Hình 2, có thể đạt đƣợc tốc độ gia nhiệt từ 1oC/s đến 3oC/s [3]. Độ gia nhiệt theo phƣơng pháp này không đƣợc đánh giá cao và quá trình giải nhiệt cho khuôn cũng s g p nhiều khó khăn. Hình 2. Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng hơi nƣớc (Steam heating) Trong nghiên cứu khác, tốc độ gia nhiệt đƣợc cải tiến đáng kể khi phƣơng pháp gia nhiệt cho bề m t khuôn đƣợc sử dụng. Quá trình điền đầy của nhựa vào l ng khuôn đƣợc cải thiện khi bề m t khuôn đƣợc phủ 1 lớp cách nhiệt. Phƣơng pháp này có thể tăng nhiệt độ bề m t khuôn lên khoảng 25oC [4, 5]. Sau đó, hệ thống gia nhiệt bằng tia hồng ngoại (infrared heating), hình 1, đƣợc nghiên cứu và ứng dụng cho khuôn phun ép nhựa [6, 7]. Hình 3. Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngoại (infrared heating system) Ngoài ra, nhằm đáp ứng yêu cầu gia nhiệt cho các bề m t phức tạp, phƣơng pháp thổi khí nóng vào l ng khuôn (gas heating) đã đƣợc nghiên cứu và đánh giá [8, 9]. Với 5
16. phƣơng pháp này, nhiệt độ bề m t khuôn có thể đƣợc tăng từ 60oC đến 120oC trong thời gian 2 s. Tuy nhiên, quá trình gia nhiệt này s đạt tới trạng thái bảo h a khi thời gian gia nhiệt kéo dài hơn 4 s. Ƣu điểm của phƣơng pháp “gas heating” là tốc độ gia nhiệt rất cao, và thời gian chu kỳ của sản phẩm s đƣợc rút ngắn. Tuy nhiên, thiết kế của khuôn phun ép (Hình 3) cần đƣợc thực hiện lại nhằm tích hợp hệ thống gia nhiệt vào. Hình 4. Phƣơng pháp gia nhiệt cho khuôn bằng d ng khí nóng (Gas heating) Tƣơng tự với các phƣơng pháp gia nhiệt bề m t (surface heating), phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ (induction heating) đã đƣợc ứng dụng nhằm hạn chế độ cong vênh, co rút, làm mờ đƣờng hàn (welding line), cũng nhƣ các khuyết tật khác của sản phẩm nhựa. Hình 5. Phƣơng pháp gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ (Induction heating) Trong các nghiên cứu mới đây, phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ đƣợc kết hợp với lƣu chất giải nhiệt nhằm điều khiển nhiệt độ khuôn. Phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ có nh ng ƣu điểm vƣợt trội so với các phƣơng pháp khác nhƣ: - Tốc độ gia nhiệt cao - Thời gian gia nhiệt có thể kéo dài đến 20 s - Có thể ứng dụng cho khuôn phun ép nhƣ một module đính kèm, nghĩa là không cần thay đổi kết cấu khuôn có sẵn. Tuy nhiên, hiện nay, các thiết kế của cuộn dây gia nhiệt chỉ giới hạn ở dạng 2D, toàn bộ cuộn dây chỉ đƣợc bố trí trên 2 m t phẳng. Điều này ảnh hƣởng không tốt đến phân 6
17. bố nhiệt độ trên bề m t của khuôn, đ c biệt là l ng khuôn có chiều sâu. Đây cũng là một trong nh ng nguyên nhân làm tăng độ cong vênh của sản phẩm nhựa sau khi phun ép. Để khắc phục hiện tƣợng này, mô hình cuộn dây 3D đƣợc đề xuất nhằm nâng cao độ đồng đều về nhiệt độ của bề m t l ng khuôn và giảm cong vênh sản phẩm. 2. Trong nƣớc Hiện nay, các doanh nghiệp Việt Nam, các đề tài nghiên cứu về lĩnh vực nhựa đã có định hƣớng về nghiên cứu tối ƣu hóa quá trình giải nhiệt cho khuôn phun ép nhằm giải quyết bài toán về chi phí sản xuất trong ngành nhựa. Trong quá trình tìm hiểu, các doanh nghiệp Việt Nam đang trong quá trình khai thác một số phần mềm chuyên d ng cho mô phỏng quá trình gia công nhựa nhƣ: C-Mold, Moldflow, Moldex3D, Ngoài ra, trong nghiên cứu, đã có một số đề tài tìm hiểu và ứng dụng công cụ CAD – CAM – CAE đƣợc tiến hành nhƣ sau: - Luận văn tốt nghiệp cao học của học viên LÊ MINH TRÍ (ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM): “Tối ƣu hóa giải nhiệt khuôn ép phun”. Luận văn này đã đề cập đến cơ sở của việc thiết kế hệ thống giải nhiệt của khuôn ép phun dựa trên l thuyết truyền nhiệt, ứng dụng phƣơng pháp này để tính toán hệ thống giải nhiệt cho sản phẩm là một tấm mỏng, sau đó sử dụng phần mềm Moldflow để mô phỏng, kiểm tra kết quả. Tuy nhiên, nội dung đề tài này chƣa đƣa ra đƣợc phƣơng pháp tối ƣu cho việc thiết kế hệ thống giải nhiệt, và việc tính toán, mô phỏng chỉ dừng lại ở một chi tiết quá đơn giản, chƣa ph hợp với yêu cầu thực tế. - Luận văn tốt nghiệp cao học của học viên NGUYỄN VĂN THÀNH (ĐH Bách Khoa TP HCM): “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 đã đề cập đến l thuyết truyền nhiệt và ứng dụng nó trong khuôn ép phun, nhằm xác định kích thƣớc và phân bố hệ thống làm nguội, xây dựng đƣợc qui trình thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun theo công nghệ CAD / CAE, áp dụng qui trình này cho sản phẩm là khuôn vỏ bình nƣớc nóng. - Đề tài nghiên cứu khoa học – công nghệ, PGS.TS ĐOÀN THỊ MINH TRINH đã thực hiện đề tài: “Ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CAE, xác định thông số miệng phun, v ng dồn nén khí, kích thƣớc kênh dẫn nhựa, hệ thống giải nhiệt hợp l cho khuôn ép phun nhựa” (thuộc chƣơng trình “Nghiên cứu tự động hóa” của thành phố), thực hiện trong thời gian 9-2003 đến 8-2004, nghiệm thu ngày 30-8-2004 Tuy nhiên, đến hiện nay, lĩnh vực điều khiển nhiệt độ khuôn chỉ đƣợc hiểu và thực hiện theo hƣớng giải nhiệt cho khuôn, với mục tiêu quan trọng nhất là làm nguội khuôn trong thời gian ngắn nhất. Ngƣợc lại, quá trình gia nhiệt cho khuôn vẫn chƣa đƣợc quan tâm đúng mức. Do đó, thực trạng của sản xuất sản phẩm nhựa tại Việt Nam 7
18. chỉ dừng lại ở nhóm các sản phẩm đơn giản, chất lƣợng thấp, và chủ yếu tập trung vào lĩnh vực hàng tiêu d ng. II. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Tóm tắt l thuyết. - Tổng quan về khuôn ép nhựa. - Tính toán, thiết kệ hệ thống gia nhiệt và giải nhiệt khuôn âm (Cavity). - Xây dựng mô hình khuôn âm (Cavity) cho thí nghiệm kiểm chứng. - Gia công chế tạo khuôn âm (Cavity), đƣa ra bộ khuôn thực tế. - Thí nghiệm với các điều kiện đầu vào cho trƣớc. - So sánh, nhận xét và đánh giá kết quả so với mô hình trên máy tính. III. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu là hệ thống Heater và Cooling Channel trong tầng khuôn âm. Việc nghiên cứu hệ thống Heater và Cooling Channel giúp giải quyết các vấn đề nhiệt sinh ra trong khuôn, giúp khuôn tăng tuổi bền. - Phạm vi nghiên cứu của đề tài: - Kiểm soát quá trình điều khiển nhiệt độ khuôn. - Mô phỏng phân bố nhiệt độ đối với các kiểu thiết kế thay đổi: Kích thƣớc (chiều dài – chiều rộng – chiều dày của sản phẩm và khuôn). Vật liệu khuôn: Thép C45, Thép P20, Nhôm (Aluminum) Số lƣợng Heater và Cooling Channel. IV. Phƣơng pháp nghiên cứu - Đề tài đƣợc thực hiện bằng các phƣơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu tổng quan từ sách, báo, tìm hiểu và khảo sát sản phẩm có sẵn trên thị trƣờng. Tìm hiểu thông tin thông qua Internet về công nghệ chế tạo khuôn mẫu của một số hãng nỗi tiếng trên thế giới, học hỏi kinh nghiệm. V , thiết kế và lập trình gia công trên phầm mềm Creo 2.0. Chạy mô phỏng trên phần mềm ANSYS 14.0. Thí nghiệm với mô hình thực tế để đƣa ra nhận xét. 8
19. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT I. Tổng quan về khuôn ép nhựa 1. Khái niệm chung về khuôn - Khuôn là một dụng cụ để định hình cho một sản phẩm nhựa. Kích thƣớc và kết cấu khuôn phụ thuộc vào kích thƣớc hình dáng của sản phẩm. - Khuôn là một cụm gồm nhiều chi tiết lắp ghép với nhau, ở đó nhựa đƣợc phun vào, đƣợc làm nguội và đẩy ra sản phẩm bao gồm có 2 phần chính: Phần khuôn âm (Cavity): phần lõm vào xác định hình dạng bên ngoài của sản phẩm c n đƣợc gọi là l ng khuôn, phần khuôn này cố định đƣợc gắn trên tấm cố định của máy ép phun. Phần khuôn dương (Core): phần lồi ra xác định hình dạng bên trong của sản phẩm c n gọi là lõi, phần khuôn này di động đƣợc gắn trên tấm di động của máy ép phun. Phần tạo sản phẩm: đây là khoảng trống gi a khuôn dƣơng (Core) và khuôn âm (Cavity) đƣợc điền đầy bởi nhựa dẻo và nó s mang hình dạng của sản phẩm, nhựa đƣợc làm nguội rồi lấy ra khỏi khuôn bằng hệ thống đẩy sản phẩm ho c bằng tay. 2. Phân loại - Theo số tầng l ng khuôn: Khuôn 1 tầng Khuôn nhiều tầng - Theo loại kênh dẫn: D ng kênh dẫn nóng (hot runner) Khuôn d ng kênh dẫn nguội (cold runner) - Theo cách bố trí kênh dẫn: Khuôn 2 tấm Khuôn 3 tấm - Theo số màu nhựa tạo ra sản phẩm: Khuôn cho sản phẩm 1 màu Khuôn cho sản phẩm nhiều màu a. Khuôn 2 tấm - Cấu tạo: Xét về m t cấu tạo: Khuôn 2 tấm là loại khuôn có 1 m t phân khuôn bao gồm: phần cố định và phần di động. Khuôn 2 tấm là khuôn ép phun d ng hệ thống kênh 9
20. dẫn nguội, kênh dẫn nằm ngang m t phân khuôn, cổng vào nhựa bên hông sản phẩm và khi mở thì chỉ có một khoảng mở để lấy sản phẩm và kênh dẫn nhựa. Xét về nguyên l hoạt động: mở một lần để lấy sản phẩm và kênh dẫn nhựa ra khỏi l ng khuôn. - Ƣu điểm: Khuôn 2 tấm tiết kiệm vật liệu hơn, do kênh dẫn nhựa ở bên hông. So với khuôn 3 tấm thì khuôn 2 tấm đơn giản hơn do không cần có tấm giựt cuống keo nhƣ khuôn 3 tấm, rẻ hơn, chu kỳ ép ngắn hơn. Thời gian để gia công và chế tạo khuôn cũng ngắn hơn. Giá thành thấp hơn khuôn 3 tấm hay khuôn nhiều tầng. - Nhƣợc điểm: Khuôn 2 tấm chỉ sử dụng đƣợc cho các chi tiết đ i hỏi có độ chính xác thấp hơn so với các loại khuôn nhiều. Phải tốn nhiều nhiên liệu hơn so với kênh dẫn nóng vì phần xƣơng keo không đƣợc sử dụng cho lần phun tiếp theo nhƣ trong kênh dẫn nóng. - Ứng dụng: Ứng dụng với nh ng sản phẩm có v ng đời ngắn nhƣ nh ng m t hàng điện tử dân dụng (thời gian sử dụng trong vài tháng). Sử dụng thích hợp cho các sản phẩm đ i hỏi ít miệng phun. Ứng dụng khuôn 2 tấm rẻ tiền để làm các sản phẩm dân dụng các đồ d ng cá nhân, các sản phẩm phục vụ cho gia đình không đ i hỏi độ chính xác cao và rẻ tiền. Hình 2.1 Kết cấu chung của 1 bộ khuôn 2 tấm 10
21. b. Khuôn 3 tấm - Khái niệm Khuôn 3 tấm là khuôn ép phun d ng hệ thống kênh dẫn nguội, kênh dẫn đƣợc bố trí trên 2 m t phẳng và khi mở khuôn thì có 1 khoảng mở để lấy sản phẩm và một khoảng mở để lấy xƣơng keo. Đối với khuôn 2 tấm thì sản phẩm và xƣơng keo tự tách rời nhau sau khi ép xong vì thế kết cấu cũng phức tạp hơn so với khuôn 2 tấm. - Cấu tạo: Chốt hỗ trợ (support in): đỡ tấm khuôn chứa kênh dẫn nhựa, dẫn hƣớng tấm kẹp trên và tấm chứa kênh dẫn nhựa. Cần kéo tấm giựt cuống keo (runner plate pull rod): giới hạn hành trình mở của tấm chứa kênh dẫn, kéo tấm giựt cuống keo. Khóa m t phân khuôn (parting lock): khóa 2 tấm khuôn tại m t phân khuôn. Chốt gi kênh dẫn nhựa (runner retainer pin): gi kênh nhựa cố định trong quá trình mở khuôn, làm đứt đuôi keo tách rời miệng phun và sản phẩm. Chốt đẩy kênh nhựa (Runner knock out pin): tạo 1 lực đẩy cuống phun rơi ra khỏi bạc keo. L xo (Sping screw): đẩy phụ tấm chứa kênh dẫn khi mở khuôn. Hình 2.2 Cấu tạo của khuôn 3 tấm - Ƣu điểm Giá thành thấp hơn so với khuôn kênh dẫn nóng. Ít bị hỏng hóc hơn khuôn có kênh dẫn nóng. Có thể ph hợp với nh ng vật liệu chịu nhiệt kém. 11
22. S K L 0 0 2 1 5 4