Đánh giá quá trình gia nhiệt cho lòng khuôn hình chữ nhật bằng phương pháp phun khí nóng từ bên ngoài

Nội dung text: Đánh giá quá trình gia nhiệt cho lòng khuôn hình chữ nhật bằng phương pháp phun khí nóng từ bên ngoài

1. ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT CHO LÒNG KHUÔN HÌNH CHỮ NHẬT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHUN KHÍ NÓNG TỪ BÊN NGOÀI EVALUATION OF HEATING PROCESS FOR THE RESTANGULAR MOLD CAVITY BY EXTERNAL GAS-ASSISTED HEATING Phạm Sơn Minh (1), Đỗ Thành Trung (1), Nguyễn Hộ (3), Phan Thế Nhân (2) (1) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM (2) Trường Cao Đẳng Nghề Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM (3) Trường Đại Học Công Nghệ Đồng Nai TÓM TẮT Nhằm nâng cao nhiệt độ bề mặt lòng khuôn hình chữ nhật trước khi nhựa nóng chảy được ép vào khuôn phun ép, phương pháp gia nhiệt cho bề mặt khuôn bằng khí nóng đã được ứng dụng. Trong nghiên cứu này, nguồn khí nóng 200 oC đã được sử dụng cho quá trình gia nhiệt bề mặt khuôn với bề mặt gia nhiệt hình chữ nhật có kích thước 175 mm x 12 mm. Thông qua quá trình mô phỏng với phần mềm ANSYS, phương pháp này cho thấy phân bố nhiệt độ trên bề mặt khuôn khá tốt. Bên cạnh đó, phương pháp mô phỏng cũng cho thấy khả năng dự đoán khá chính xác giá trị nhiệt độ tại bề mặt khuôn. Ngoài ra, phương pháp thực nghiệm cũng đã được sử dụng để khảo sát nhiệt độ của bề mặt khuôn theo thời gian gia nhiệt. Kết quả thí nghiệm cho thấy nhiệt độ bề mặt khuôn sẽ tăng nhanh trong 10 s đầu của quá trình gia nhiệt, sau đó, trong 20 s tiếp theo, giá trị này sẽ tăng chậm và ổn định sau 30 s. Tại thời điểm ổn định, nhiệt độ tại các điểm khảo sát dao động trong khoảng 83.5 oC đến 95 oC. Từ khóa: Phun ép, khuôn, gia nhiệt bằng khí nóng. ABSTRACT For enhancing the surface temperature of the rectangular mold cavity before the plastic was melt to inject into the mold, the gas assisted mold heating (GAMH) was applied. In this research, the 200 oC air flow source was used for heating the rectangular mold cavity with the heating area size of 175 mm x 12 mm. Based on the simulated results with ANSYS CFX, it was clear that the GAMH had a good temperature distribution on the the cavity surface of mold. Also, the simulated method showed the ability to predict quite accurately the temperature value on the cavity surface of mold. In addition, the experimental method was used to exame the temperature on the surface temperature as a function of heating time. The experimental result showed that the mold surface temperature increased fastly in the first 10 s, after that, in the next 20 s, this value would rised up slowly and became stable after 30 s. At the stable state, the temperature values of several considered points of the mold varied from 83.5 oC to 95 oC. Keywords: Injection molding, mold, gas assisted mold heating. I. GIỚI THIỆU chảy được định lượng chính xác vào trong Phun ép là công nghệ phun nhựa nóng lòng một khuôn đóng kín với áp lực cao và 1
2. tốc độ nhanh, sau thời gian ngắn, sản phẩm phương pháp dùng khí nóng để nâng nhiệt độ được định hình, và khi đạt đến nhiệt độ nguội lòng khuôn đang được nhiều nhà nghiên cứu theo yêu cầu, sản phẩm được lấy ra ngoài. tập trung khai thác [7 – 8]. Một trong những Sau đó, chu kỳ phun ép tiếp theo sẽ được tiến khó khăn của phương pháp này là khả năng hành. Thời gian từ lúc đóng khuôn, phun điều khiển dòng khí nóng nhằm giảm chênh nhựa, định hình sản phẩm, lấy sản phẩm ra lệch nhiệt độ tại bề mặt lòng khuôn. Do đó, khỏi khuôn, đóng khuôn gọi là thời chu kỳ nghiên cứu này sẽ tập trung ứng dụng công của một lần ép sản phẩm. Trong quá trình cụ CAE (Computer assited Engineering) điền nhựa vào khuôn với sản phẩm thành nhằm phân tích và dự đoán kết quả gia nhiệt mỏng, những lớp nhựa tiếp xúc với thành của bằng khí nóng cho một bộ khuôn thực tế với khuôn (bề mặt khuôn ở nhiệt độ thấp) sẽ lòng khuôn hình chữ nhật. Thông qua mô đông lại. Quá trình đông lại ở bề mặc tiếp phỏng trên phần mềm ANSYS CFX, các giá xúc với khuôn sẽ làm giảm áp lực của dòng trị nhiệt độ và sự phân bố nhiệt độ tại bề mặt nhựa làm cho nhựa sẽ không điền đầy được lòng khuôn sẽ được xác định. Sau đó, thí lòng khuôn [1, 2]. nghiệm gia nhiệt sẽ được tiến hành nhằm Hiện nay, sản phẩm nhựa rất đa dạng, từ khảo sát nhiệt độ của bề mặt khuôn theo thời hình dáng đơn giản đến phức tạp, từ kích gian gia nhiệt, cũng như đánh giá độ chính thước lớn đến kích thước nhỏ. Với sự phát xác của kết quả mô phỏng. triển của xã hội, yêu cầu mới với công nghệ II. MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM phun ép luôn được được đặt ra, một trong Trong nghiên cứu này, khuôn phun ép những yêu cầu cấp thiết nhất là chế tạo các dùng cho quá trình thí nghiệm về dòng chảy sản phẩm nhựa bằng công nghệ phun ép với nhựa được sử dụng cho quá trình nghiên cứu bề dày ở nhỏ hơn 1 mm phục vụ cho các chip khả năng gia nhiệt cho lòng khuôn bằng khí sinh học, các thiết bị quang học, Từ các nóng. Kết cấu lòng khuôn cần gia nhiệt được yêu cầu này, nhằm khắc phục hiện tượng trình bày như Hình 1. đông đặc quá nhanh của dòng nhựa chảy trong lòng khuôn, phương pháp nâng cao Tấm khuôn dùng cho quá trình thí nghiệm nhiệt độ bề mặt lòng khuôn đã được đề xuất sẽ được gia công với một lòng khuôn và một [3, 4]. cổng vào nhựa. Tại bề mặt cần gia nhiệt, lòng khuôn được cách nhiệt bởi vật liệu nhựa chịu Trong nghiên cứu của Chen et.al, nhiệt độ nhiệt và có kích thước như Hình 2. tấm khuôn được nâng từ 60 oC đến 100 0C, Kênh dẫn nhựa sau đó quá trình điền đầy nhựa nóng chảy Cổng vào nhựa vào lòng khuôn được tiến hành [2, 4]. Trong Lòng khuôn bài báo này, các mức nhiệt độ khác nhau đã được trình bày. Kết quả cho thấy thời gian để Khối insert nâng nhiệt độ khuôn từ 60 oC đến 100 oC với lưu chất gia nhiệt là nước, sẽ kéo dài 53 s. Với phương pháp này, thời gian chu kỳ sẽ kéo dài, do đó, hiệu quả kinh tế sẽ giảm rõ rệt. Để rút ngắn thời gian gia nhiệt cho khuôn, các phương pháp gia nhiệt bề mặt Hình 1: Kết cấu lòng khuôn. khuôn đã được nghiên cứu [5 – 8]. Trong đó, 2
3. A A Hình 2: Kích thước bộ phận cách nhiệt cho lòng khuôn. Trong qui trình phun ép truyền thống, sau phần mềm ANSYS. Mô hình mô phỏng được khi một chu kỳ phun ép được hoàn thành, hai trình bày như Hình 5. Các thông số mô tấm khuôn sẽ mở ra và sản phẩm sẽ được đẩy phỏng được cài đặt như trong thí nghiệm ra khỏi lòng khuôn. Sau đó, hai tấm khuôn sẽ thực như Bảng 1. đóng lại và một chu kỳ phun ép mới sẽ được Nhằm quan sát quá trình gia nhiệt cho bắt đầu. Tuy nhiên, với qui trình phun ép lòng khuôn phun ép nhựa, dòng khí nóng với nhựa với sự hỗ trợ của khí nóng trong quá nhiệt độ 200 oC được phun lên bề mặt lòng trình gia nhiệt cho lòng khuôn, sau khi sản khuôn thông qua 4 cổng phun (Hình 3). Thời phẩm được đẩy ra khỏi lòng khuôn, cơ cấu gian gia nhiệt sẽ được ghi nhận từ lúc bắt đầu tay máy sẽ đưa nguồn nhiệt vào giữa hai tấm phun khí đến 30 s. Giá trị nhiệt độ tại 4 điểm khuôn, sau đó, khí nóng từ nguồn nhiệt này trên bề mặt lòng khuôn sẽ được ghi nhận từ sẽ được phun trực tiếp lên vị trí cần gia nhiệt thí nghiệm, sau đó, các kết quả thí nghiệm sẽ cho lòng khuôn. Vị trí của khuôn và nguồn được so sánh với kết quả mô phỏng. nhiệt nóng được trình bày như Hình 3. Sau khi nhiệt độ của lòng khuôn đạt được giá trị theo yêu cầu, nguồn nhiệt sẽ được di chuyển ra ngoài khu vực khuôn, sau đó, hai tấm khuôn sẽ đóng lại và chu kỳ phun ép mới sẽ được bắt đầu. Nguồn cấp khí nóng khí cấp Nguồn Tấm khuôn cố định cố khuôn Tấm Trong lĩnh vực phun ép nhựa, phân bố động di khuôn Tấm nhiệt độ tại bề mặt khuôn có ý nghĩa rất quan Lòng khuôn cần gia nhiệt trọng, đây là một trong những yếu tố chính có ảnh hưởng đến độ cong vênh sản phẩm Hình 3: Vị trí của khuôn trong quá trình gia nhựa sau khi phun ép [1, 5]. Do đó, trong các nhiệt. thí nghiệm của nghiên cứu này, giá trị nhiệt 175 28 38 38 38 Vị trí vào độ tại bề mặt lòng khuôn sẽ được ghi nhận nhựa với 4 điểm như Hình 4. Ngoài ra, nhằm quan P1 P2 P3 P4 sát phân bố nhiệt độ tại bề mặt này, phương Hình 4: Vị trí đo nhiệt độ tại bề mặt lòng pháp mô phỏng cũng sẽ được thực hiện với khuôn 3
4. III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết quả mô phỏng và thí nghiệm tại các vị trí đo khác nhau trên bề mặt lòng khuôn với thời gian gia nhiệt 30 s được trình bày như Bảng 2. Trong quá trình thí nghiệm, sự thay đổi nhiệt độ tại 4 điểm được trình bày như Hình 6. Kết quả thí nghiệm cho thấy trong 10 s đầu, nhiệt độ tại 4 điểm (Hình 4) tăng rất nhanh. Tuy nhiên, sự tăng nhiệt độ này chậm lại trong 20 s tiếp theo. Sau đó, từ giây thứ 30 trở đi, nhiệt độ tại 4 điểm sẽ đạt đến giá trị ổn định. Với 4 vị trí đo, nhiệt độ ổn định dao động trong khoảng 83.5 oC đến 95 oC. Với Hình 5: Mô hình mô phỏng quá trình gia kết quả này, phương pháp mô phỏng sẽ được nhiệt bằng khí nóng. thực hiện với thời gian gia nhiệt 30 s nhằm Bảng 1: Thông số mô phỏng quan sát phân bố nhiệt độ tại bề mặt khuôn. Thông số mô phỏng Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thí Nhiệt độ inlet của không nghiệm về phân bố nhiệt độ tại 4 điểm trong 30 oC khí thời gian gia nhiệt 30 s được trình bày trong Nhiệt độ khí phun vào Hình 7 (điểm P1), Hình 8 (điểm P2), Hình 9 200 oC khu vực cần gia nhiệt (điểm P3) và Hình 10 (điểm P4). Các kết quả này cho thấy trong 10 s đầu tiên của quá trình Khối lượng riêng của khí 1.185 kg/m3 gia nhiệt, sai lệch giữa kết quả mô phỏng và Nhiệt dung riêng của khí 1004 J/kg*K thực nghiệm dưới 3 oC. Tuy nhiên, từ 10 s Hệ số giãn nở vì nhiệt của 0.003356 K-1 đến 30 s, sự khác biệt về nhiệt độ giữa mô khí phỏng và thực nghiệm thay đổi theo chiều Áp suất không khí 1 atm hướng tăng (sai lệch lớn nhất khoảng 10 oC). Nhiệt độ ban đầu của tấm 30 oC Hiện tượng này cho thấy quá trình mô phỏng nhôm đã bị ảnh hưởng bởi đặc tính vật liệu và các Khối lượng riêng của 2702 kg/m3 điều kiện biên của quá trình gia nhiệt. Ngoài nhôm ra, do giới hạn của trang thiết bị mô phỏng, Nhiệt dung riêng của 903 J/kg*K kích thước lưới và phần tử chưa được tối ưu nhôm hóa. Tuy nhiên, nhìn chung các kết quả từ Hệ số dẫn nhiệt của nhôm 237 W/m*K Hình 7 đến Hình 10 cho thấy sự tương đối Hệ số truyền nhiệt từ khối 2340 giống nhau giữa mô phỏng và thực nghiệm khí sang tấm nhôm W/m*K tại tất cả các vị trí khảo sát. Vì vậy, có thể dự Dạng phân tích nhiệt Transient đoán quá trình gia nhiệt bằng khí nóng bằng Các mức thời gian phân 0 s 30 s phần mềm mô phỏng ANSYS CFX. Phân bố tích (bước 5 s) nhiệt độ tại bề mặt lòng khuôn ứng với các Bước tối thiểu cho một thời gian gia nhiệt khác nhau cũng được so 1 s mức thời gian phân tích sánh như Hình 11. Kết quả này cho thấy Thời gian khởi tạo ban trong 10 s đầu của quá trình gia nhiệt, quá 0 s đầu trình truyển nhiệt giữa khí nóng và lòng 4
5. khuôn diễn ra rất mạnh do chênh lệch nhiệt 4 84 86 độ giữa lòng khuôn và khí rất lớn, kết quả là nhiệt độ của lòng khuôn gần 4 cổng phun khí sẽ tăng nhanh. Tuy nhiên, khi nhiệt độ lòng ) C 0 khuôn tăng cao, quá trình truyền nhiệt đối ( lưu giữa khí và lòng khuôn sẽ giảm đáng kể, độ Nhiệt bên cạnh đó, nhiệt năng tại các vị trí này sẽ truyền ra những vị trí có nhiệt độ thấp hơn. Do đó, từ 10 s đến 30 s, sự mất cân bằng nhiệt độ này đã giảm đáng kể. Ngoài ra, Hình Thời gian gia nhiệt (s) 11 cho thấy phân bố nhiệt độ tại thời điểm 30 s với chênh lệch nhiệt độ của cả bề mặt lòng Hình 6: Thí nghiệm sự thay đổi của nhiệt khuôn là 11.5 oC. Với chênh lệch nhiệt độ độ tại 4 điểm trên bề mặt lòng khuôn trong quá trình gia nhiệt này, phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng từ bên ngoài hoàn toàn có thể ứng dụng cho qui trình phun ép. ) C o Bảng 2: Kết quả nhiệt độ tại bề mặt ( khuôn tại một số vị trí đo khác nhau Thời Kết Kết độ Nhiệt Vị trí gian gia quả mô quả thí đo nhiệt phỏng nghiệm P1_ 200 oC _ Thí nghiệm o 1 62 59 P1_ 200 C _ Mô phỏng 2 58 57 5s Thời gian gia nhiệt (s) 3 56 58 4 57 55 Hình 7: Đồ thị so sánh nhiệt độ tại điểm 1 76 74 P1 với thời gian gia nhiệt 30 s 2 78 75 10 3 74 73 4 74 75 ) 1 90 81 C o 2 87 80 ( 15 3 86 83 Nhiệt độ độ Nhiệt 4 85 82 1 92 86 P2_ 200 oC _ Thí nghiệm P2_ 200 oC _ Mô phỏng 2 90 87 20 3 88 82 Thời gian gia nhiệt (s) 4 84 85 Hình 8: Đồ thị so sánh nhiệt độ tại điểm 1 95 87 P2 với thời gian gia nhiệt 30 s 2 92 83 25 3 91 86 4 86 84 1 95 86 30 2 94 83.5 3 94 84 5
6. IV. KẾT LUẬN ) C o Quá trình gia nhiệt cho lòng khuôn hình ( chữ nhật bằng phương pháp phun khí nóng từ Nhiệt độ độ Nhiệt bên ngoài được nghiên cứu thông qua mô phỏng và thí nghiệm với một số kết luận như sau: P3_ 200 oC _ Thí nghiệm o P3_ 200 C _ Mô phỏng - Kết quả thí nghiệm cho thấy khi gia Thời gian gia nhiệt (s) nhiệt bằng khí nóng từ bên ngoài, nhiệt độ bề Hình 9: Đồ thị so sánh nhiệt độ tại điểm mặt khuôn sẽ tăng nhanh trong 10 s đầu, sau P3 với thời gian gia nhiệt 30 s đó, giá trị này sẽ tăng chậm trong 20 s tiếp theo và ổn định sau 30 s. Tại thời điểm ổn định, nhiệt độ được phân bố tương đối đồng đều (chênh lệch khoảng 11.5 oC). Vì vậy, phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng từ bên ) C o ( ngoài hoàn toàn có thể ứng dụng cho qui trình phun ép nhựa. Nhiệt độ độ Nhiệt - Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thí nghiệm cho thấy sự sai lệch không lớn tại tất P4_ 200 oC _ Thí nghiệm cả các vị trí khảo sát trên bề mặt khuôn. Vì P4_ 200 oC _ Mô phỏng vậy, có thể sử dụng phần mềm mô phỏng Thời gian gia nhiệt (s) ANSYS CFX để dự đoán nhiệt độ phân bố Hình 10: Đồ thị so sánh nhiệt độ tại điểm trên bề mặt lòng khuôn trong quá trình gia P4 với thời gian gia nhiệt 30 s nhiệt bằng khí nóng, qua đó có thể đánh giá chất lượng chất lượng sản phẩm. 30s 25s 20s 15s 10s 5s 40 72 138 105 170 Nhiệt độ (oC) Hình 11: Phân bố nhiệt độ tại lòng khuôn ứng với các thời gian gia nhiệt khác nhau. 6
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S. Y. Yang, S.-C. Nian, S.-T. Huang and Y.-J. Weng, A study on the micro-injection molding of multi-cavity ultra-thin parts, Polymers Advances Technologies, Vol. 22, 2011, pp. 891–902. [2] Y. K. Shen, C. F. Huang, Y. S. Shen, S. C. Hsu, M. W. Wu, Analysis for microstructure of micro lens arrays on micro-injection molding by numerical simulation, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 35, 2008, pp. 1097-1100. [3] K. F. Zhang, Z. Lu, Analysis of morphology and performance of PP microstructures manufactured by micro injection molding, Microsyst Technol, Vol 14, 2008, pp. 209-214. [4] B. Sha, S. Dimov, C. Griffiths, M.S. Packianather, Investigation of micro-injection moulding: Factors affecting the replication quality, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 183, 2007, pp. 284–296. [5] S. C. Chen, . D. Chien, S. H. Lin, M. C. Lin, J. A. Chang, Feasibility evaluation of gas- assisted heating for mold surface temperature control during injection molding process, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 36, 2009, pp. 806-812. [6] S. C. Chen, W. R. Jong, J. A. Chang, H. S. Peng, Simulation and verification on rapid mold surface heating/cooling using electromagnetic induction technology, 4th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics Cairo, Egypt, 2005. [7] S. C. Chen, Y. W. Lin, R. D. Chien, H.M. Li, Variable Mold Temperature to Improve Surface Quality of Microcellular Injection Molded Parts Using Induction Heating Technology, Advances in Polymer Technology, Vol. 27, 2008, pp. 224–232. [8] S. C. Chen, J. A. Chang, Y. C. Wang, C. F. Yeh, Development of Gas-Assisted Dynamic Mold Temperature Control System and Its Application for Micro Molding, ANTEC, 2008, pp. 2208-2212. 7
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.