Gia nhiệt cục bộ cho lõng khuôn phun ép nhựa bằng khí nóng

Nội dung text: Gia nhiệt cục bộ cho lõng khuôn phun ép nhựa bằng khí nóng

1. GIA NHIỆT CỤC BỘ CHO LÕNG KHUÔN PHUN ÉP NHỰA BẰNG KHÍ NÓNG LOCAL HEATING FOR INJECTION MOLD WITH THE HOT AIR HEATING METHOD Đỗ Thành Trung (1), Phạm Sơn Minh (1), Phan Thế Nhân (2), Phùng Huy Dũng (3) (1) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM (2) Trường Cao Đẳng Nghề Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM (3) Trung Tâm Kiểm Định Kỹ Thuật An Toàn Khu Vực 2 TÓM TẮT Nâng cao nhiệt độ bề mặt lòng khuôn khi nhựa nóng chảy được ép vào khuôn phun ép là một trong những phương pháp nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa trong quá trình phun ép. Trong thời gian gần đây, 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 trong quá trình gia nhiệt cho lòng khuôn hình chữ nhật. Kết quả thí nghiệm cho thấy khi gia nhiệt bằng khí nóng từ bên ngoài, nhiệt độ bề mặt khuôn sẽ tăng nhanh trong 10 s đầu, sau đó, giá trị này sẽ tăng chậm trong 10 s tiếp theo và ổn định sau 20 s. 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. Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thí nghiệm cho thấy sự sai lệch khoảng 6 oC trong suốt 60 s khảo sát trên bề mặt khuôn. Tại thời điểm ổn định, nhiệt độ tại các điểm khảo sát dao động trong khoảng 80 oC đến 100 oC. Từ khóa: Phun ép, khuôn nhựa, gia nhiệt cục bộ. ABSTRACT Increase the mold surface when the melt filling the cavity is a method for improving the injection molding part. Recently, the hot air is offent used for mold surface heating. In this paper, the 200 oC air was used in the heating step for a rectangular mold cavity. Results show that with the external hot air heating, the temperature of mold surface will fastly increase in the first 10 s, after that, this value will be increasing slowly in the next 10 s, later, the temperature will be stable after 20 s for heating. Based on the simulation with ANSYS software, the air heating shows a good temperature uniformity. The difference between simulation and experiment result is lower than 6 oC in 60 s for heating. At the stable stage, the mold surface temperature is varied from 80 oC to 100 oC. Keywords: Injection molding, plastic mold, local heating. I. GIỚI THIỆU Phun ép là công nghệ phun nhựa nóng chảy được định lượng chính xác vào lòng khuôn đóng kín với áp lực cao và tốc độ nhanh, sau thời gian ngắn, sản phẩm được định hình, và khi đạt đến nhiệt độ nguội theo yêu cầu, sản phẩm được lấy ra ngoài. Sau đó, chu kỳ phun ép tiếp theo sẽ được tiến hành. Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, các sản phẩm nhựa được thiết kế và phát triển theo xu hướng nhẹ hơn, nhỏ hơn, mỏng hơn. Do đó, quá trình phun ép các sản phẩm dạng này đang đối mặt với các thử thách lớn. Nếu trong suốt quá trình điền đầy khuôn, nhiệt độ khuôn có thể duy trì ở giá trị cao hơn nhiệt độ chuyển pha của vật liệu nhựa thì khả năng điền đầy khuôn với những chi tiết có kích thước micro sẽ tăng lên [1, 2]. Nhiệt độ khuôn đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành đường hàn, dẫn đến ảnh hưởng chất lượng sản phẩm. Vì vậy, kiểm soát và điểu khiển nhiệt độ của khuôn là một trong những yêu cầu cần thiết để đạt được chất lượng sản phẩm tốt nhất. Nhìn chung, mục tiêu quan trọng của quá trình điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép là: gia nhiệt cho bề mặt khuôn đến nhiệt độ yêu cầu, nhưng vẫn đảm bảo thời gian chu kỳ phun ép không quá dài. Với mục tiêu này, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện và các kết quả tích cực dần được công bố trong những năm gần đây [1 – 8]. Nhóm tác giả thuộc bộ môn kỹ thuật và khoa học vật liệu, đại học Shangdong, Trung Quốc đã nghiên cứu quá trình mô phỏng phản ứng nhiệt và tối ưu hóa cấu trúc khuôn cho quá trình ép chu kỳ gia nhiệt nhanh chóng, tương ứng với gia nhiệt bằng nước và gia nhiệt bằng điện 1
2. [5]. Trong nghiên cứu này, kết quả cho thấy lớp cách nhiệt có thể tăng giới hạn nhiệt độ của chu kỳ gia nhiệt nhanh cho công nghệ ép phun với phương pháp gia nhiệt bằng hơi nước và cải thiện tốc độ gia nhiệt của chu kỳ gia nhiệt nhanh cho công nghệ ép phun với phương pháp gia nhiệt bằng điện. Do đó, phương pháp gia nhiệt bằng hơi nước thường được sử dụng cho các vật liệu polymer mà không yêu cầu nhiệt độ bề mặt các khoang cao thường nhỏ hơn 160 0C. Trong nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc đại học Chung Yuan Christian, Đài Loan, công nghệ gia nhiệt cảm ứng điện từ kết hợp với làm nguội bằng nước được dùng để tạo ra sự biến thiên nhanh nhiệt độ khuôn [6]. Quá trình mô phỏng sự biến thiên nhiệt độ sử dụng công nghệ CAE (ANSYS) kết hợp với đo lường thực nghiệm trên các mẫu sản phẩm (có dạng các kênh dẫn vi mô) đã chỉ ra rằng gia nhiệt cảm ứng có thể nhanh chóng tăng nhiệt độ bề mặt khuôn từ 60 0C lên 140 0C trong vòng 3,5 giây. Quá trình mô phỏng cũng cho thấy sóng điện từ có thể thâm nhập vào trong phần đáy của các kênh dẫn, tạo ra hiệu ứng cảm ứng điện từ và gia nhiệt cho các kết cấu micro. Các kết quả từ nghiên cứu này cho thấy việc tăng nhiệt độ thông qua gia nhiệt cảm ứng giúp cải thiện độ chính xác lặp cho các chi tiết dạng micro mà không cần tăng thời gian chu kỳ ép. Bên cạnh đó, trong đề tài khác của nhóm nghiên cứu này, phương pháp điều khiển nhiệt độ bề mặt khuôn sử dụng lớp vật liệu cách nhiệt để thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn nhanh chóng cũng được đề cập [7]. Tuy nhiên, khi thay đổi các phương pháp gia nhiệt khác nhau, phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ được xem là hiệu quả nhất với thời gian gia nhiệt trung bình từ 2 s đến 4 s, trong khi đó, phương pháp gia nhiệt bằng tia hồng ngoại có sử dụng vật liệu cách nhiệt sẽ cần thời gian khoảng 15 giây. Với các phương pháp gia nhiệt cho khuôn trước đây, 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 khuôn đã được nghiên cứu [5 – 8]. Trong đó, phương pháp dùng khí nóng để nâng nhiệt độ lòng khuôn đang được nhiều nhà nghiên cứu tập trung khai thác [7 – 8]. Một trong những khó khăn của phương pháp này là khả năng điều khiển dòng khí nóng nhằm giảm chênh lệch nhiệt độ tại bề mặt lòng khuôn. Do đó, nghiên cứu này sẽ tập trung ứng dụng công cụ CAE (Computer assited Engineering) nhằm phân tích và dự đoán kết quả gia nhiệt bằng khí nóng cho một bộ khuôn với sản phẩm thực. Thông qua mô phỏng trên phần mềm ANSYS CFX, các giá trị nhiệt độ và sự phân bố nhiệt độ tại bề mặt lòng khuôn sẽ được xác định. Sau đó, thí nghiệm gia nhiệt sẽ được tiến hành nhằm khảo sát nhiệt độ của bề mặt khuôn theo thời gian gia nhiệt, cũng như đánh giá độ chính xác của kết quả mô phỏng. II. MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM Trong nghiên cứu này, khuôn phun ép dùng cho quá trình thí nghiệm về dòng chảy nhựa được sử dụng cho quá trình nghiên cứu khả năng gia nhiệt cho lòng khuôn bằng khí nóng. Kết cấu lòng khuôn cần gia nhiệt được trình bày như Hình 1. Tấm khuôn dùng cho quá trình thí nghiệm sẽ được gia công với hai lòng khuôn, mỗi lòng khuôn sẽ được điền đầy nhựa bởi 1 cổng đơn. Trong nghiên cứu này, một lòng khuôn sẽ được chế tạo như kết cấu thông thường, lòng khuôn còn lại sẽ được thiết kế với chi tiết insert được ghép vào lòng khuôn tại vị trí gia nhiệt cục bộ. Với thiết kế này, phần nhiệt năng trong quá trình gia nhiệt sẽ được giữ lại tại vị trí này. Vị trí của chi tiết insert được trình bày như Hình 1, kích thước của chi tiết insert được trình bày như Hình 2. 2
3. Cổng vào nhựa Lòng khuôn Vị trí gia nhiệt cục bộ Hình 1: Kết cấu lòng khuôn. M3x4loã Hình 2: Kích thước chi tiết insert cho lòng khuôn. Trong qui trình phun ép truyền thống, sau khi chu kỳ phun ép được hoàn thành, hai tấm khuôn sẽ mở ra và sản phẩm sẽ được đẩy ra khỏi lòng khuôn. Sau đó, hai tấm khuôn sẽ đóng lại và chu kỳ phun ép mới sẽ được bắt đầu. Tuy nhiên, với qui trình phun ép nhựa với sự hỗ trợ của khí nóng trong quá trình gia nhiệt cho lòng khuôn, sau khi sản phẩm được đẩy ra khỏi lòng khuôn, cơ cấu tay máy sẽ đưa nguồn nhiệt vào giữa hai tấm khuôn, sau đó, khí nóng từ nguồn nhiệt này sẽ được phun trực tiếp lên vị trí cần gia nhiệt cho lòng khuôn. Vị trí của khuôn và nguồn 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. Với qui trình phun ép nhựa, nhiệt độ tại bề mặt khuôn có ý nghĩa rất quan trọng, đây là một trong những yếu tố chính có ảnh hưởng đến độ cong vênh sản phẩm nhựa sau khi phun ép [1, 5]. Do đó, trong các thí nghiệm của nghiên cứu này, giá trị nhiệt độ tại bề mặt lòng khuôn sẽ được ghi nhận tại vị trí insert. Ngoài ra, nhằm quan sát phân bố nhiệt độ tại bề mặt này, phương pháp mô phỏng cũng sẽ được thực hiện với phần mềm ANSYS. Mô hình mô phỏng được trình bày như Hình 4. Các thông số vật liệu và thông số mô phỏng được cài đặt như lần lượt như Bảng 1 và 2. Nhằm quan sát quá trình gia nhiệt cho lòng khuôn phun ép nhựa, dòng khí nóng với nhiệt độ 200 oC được phun lên bề mặt lòng khuôn tại vị trí insert như Hình 3 và 4. Thời gian gia 3
4. nhiệt sẽ được ghi nhận từ lúc bắt đầu phun khí đến 60 s. Giá trị nhiệt độ tại bề mặt lòng khuôn sẽ được ghi nhận từ thí nghiệm, sau đó, các kết quả thí nghiệm sẽ được so sánh với kết quả mô phỏng. Nguồn khí nóng Lòng khuôn cần gia nhiệt Hình 3: Vị trí của khuôn trong quá trình gia nhiệt. Hình 4: Mô hình mô phỏng quá trình gia nhiệt bằng khí nóng. Bảng 1: Thông số vật liệu Thông số mô phỏng Khối lượng riêng của khí 1.185 kg/m3 Nhiệt dung riêng của khí 1004 J/kg*K Hệ số giãn nở vì nhiệt của 0.003356 K-1 khí Khối lượng riêng của 2702 kg/m3 nhôm Nhiệt dung riêng của 903 J/kg*K nhôm Hệ số dẫn nhiệt của nhôm 237 W/m*K Hệ số truyền nhiệt từ khối 2340 khí sang tấm nhôm W/m*K Bảng 2: Thông số mô phỏng Thông số mô phỏng 4
5. Nhiệt độ inlet của không 30 oC khí Nhiệt độ khí phun vào 200 oC khu vực cần gia nhiệt Áp suất không khí 1 atm Nhiệt độ ban đầu của tấm 30 oC nhôm Các mức thời gian phân 0 s 30 s tích (bước 5 s) Time step 1 s Thời gian khởi tạo ban 0 s đầu Dạng phân tích nhiệt Transient III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong bài báo này, kết quả mô phỏng và thí nghiệm với thời gian gia nhiệt 60 s được trình bày như Bảng 2. Trong quá trình gia nhiệt, sự thay đổi nhiệt độ tại bề mặt khuôn được trình bày như Hình 5 và Bảng 3. Kết quả này cho thấy trong 10 s đầu, nhiệt độ bề mặt khuôn tăng rất nhanh. Tuy nhiên, sự tăng nhiệt độ này chậm lại trong 10 s tiếp theo. Sau đó, từ giây thứ 20 trở đi, nhiệt độ bề mặt khuôn có khuynh hướng giảm khoảng 10 oC và đạt đến giá trị ổn định. Tại trạng thái ổn định, nhiệt độ ổn định dao động trong khoảng 98 oC đến 101 oC. Với kết quả này, phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng hoàn toàn có thể ứng dụng cho quá trình phun ép nhằm nâng nhiệt độ khuôn lên giá trị cao trước khi nhựa nóng chảy được ép vào lòng khuôn. Bảng 3: Kết quả nhiệt độ tại bề mặt khuôn tại 4 vị trí đo. Thời gian Mô Thí gia phỏng nghiệm nhiệt (oC) (oC) (s) 5 98 94 10 106 102 15 108 103 20 110 105 25 106 101 30 104 99 35 103 99 40 102 98 45 101 98 50 100 97 55 99 97 60 98 96 Tương tự như thí nghiệm, các kết quả mô phỏng cũng cho thấy thay đổi nhiệt độ tại bề mặt khuôn là tương tự như thí nghiệm. So sánh giá trị nhiệt độ tại bề mặt khuôn giữa mô phỏng và thí nghiệm cho thấy trong 10 s đầu tiên của quá trình gia nhiệt, sai lệch giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm dưới 4 oC. Tuy nhiên, từ 10 s đến 30 s, sự khác biệt về nhiệt độ giữa mô phỏng và thực nghiệm thay đổi theo chiều hướng tăng. Hiện tượng này cho thấy quá trình mô phỏng đã bị ảnh hưởng bởi đặc tính vật liệu và các điều kiện biên của quá trình gia nhiệt. Ngoài ra, do giới hạn của trang thiết bị mô phỏng, kích thước lưới và phần tử chưa được tối 5
6. ưu hóa. Tuy nhiên nhìn chung, các kết quả cho thấy khả năng dự đoán nhiệt độ trong quá trình gia nhiệt của phần mềm hoàn toàn có thể sử dụng được. Trong nghiên cứu này, trong 60 s gia nhiệt cho khuôn, sai lệch nhiệt độ lớn nhất giữa thí nghiệm và mô phỏng là 6 oC. Phân bố nhiệt độ tại bề mặt lòng khuôn ứng với các thời gian gia nhiệt khác nhau cũng được so sánh như Hình 6. Kết quả này cho thấy phân bố nhiệt độ tại khu vực gia nhiệt khá tốt. Nhiệt độ tại khu vực này thay đổi từ 80 oC đến 100 oC. Với phân bố nhiệt độ này, phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng từ bên ngoài hoàn toàn có thể ứng dụng cho qui trình phun ép nhựa. Mô phỏng ) Thí nghiệm C o ( Nhiệt độ Nhiệt Nhiệt độ khí: 200 oC Thời gian gia nhiệt (s) Hình 5: Thay đổi của nhiệt độ tại bề mặt khuôn trong quá trình gia nhiệt. 5 s 10 s 15 s 20 s 25 s 30 s Hình 6: Phân bố nhiệt độ tại lòng khuôn ứng với các thời gian gia nhiệt khác nhau. IV. KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, quá trình gia nhiệt cho lòng khuôn hình chữ nhật bằng phương pháp phun khí nóng từ bên ngoài được nghiên cứu thông qua mô phỏng và thí nghiệm đã thu được các kết quả như sau: - Kết quả thí nghiệm cho thấy khi gia nhiệt bằng khí nóng từ bên ngoài, nhiệt độ bề mặt khuôn sẽ tăng nhanh trong 10 s đầu, sau đó, giá trị này sẽ tăng chậm trong 10 s tiếp theo và ổn định sau 20 s. Tại thời điểm ổn định, nhiệt độ được phân bố tương đối đồng đều, chênh lệch nhiệt độ lớn nhất khoảng 20 oC. Vì vậy, phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng từ bên ngoài hoàn toàn có thể ứng dụng cho qui trình phun ép nhựa. - Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thí nghiệm cho thấy sự sai lệch khoảng 6 oC trong suốt 60 s khảo sát trên bề mặt khuôn. Vì vậy, có thể sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS CFX để dự đoán nhiệt độ phân bố trên bề mặt lòng khuôn trong quá trình gia nhiệt bằng khí nóng, qua đó đánh giá chất lượng chất lượng sản phẩm. 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] G. Wang, G. Zhao, H. Li, Y. Guan, Research of thermal response simulation and mold structure optimization for rapid heat cycle molding processes, respectively, with steam heating and electric heating, Materials & Design, Vol.31(1), 2010, pp. 382–395 [6] S. C. Chen, W. R. Jong, Y. J. Chang, J. A. Chang, J. C. Cin, Rapid mold temperature variation for assisting the micro injection of high aspect ratio micro-feature parts using induction heating technology, J. Micromech. Microeng., Vol. 16, 2006, pp. [7] 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 [8] S. C. Chen, R. 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. 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.