Hạn chế độ cong vênh của sản phẩm nhựa polypropylene dạng tấm bằng phương pháp điều chỉnh nhiệt độ

Nội dung text: Hạn chế độ cong vênh của sản phẩm nhựa polypropylene dạng tấm bằng phương pháp điều chỉnh nhiệt độ

1. NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI HẠN CHẾ ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM NHỰA POLYPROPYLENE DẠNG TẤM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ REDUCTION OF THE WARPAGE FOR POLYPROPYLENE PLATE BY MELT TEMPERATURE CONTROL Phạm Sơn Minh, Thanh Trung Do, Lê Võ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh TĨM TẮT Trong nghiên cứu này, quá trình phun ép các tấm nhựa polypropylene đã được tiến hành mơ phỏng và thí nghiệm với sự thay đổi nhiệt độ nhựa từ 200 oC đến 280 oC. Ảnh hưởng của nhiệt độ nhựa đến độ cong vênh của sản phẩm nhựa dạng tấm cũng được xem xét với chiều dày tấm thay đổi từ 1.0 mm đến 2.5 mm. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng nhiệt độ nhựa từ 200 oC lên 280 oC, độ cong vênh của sản phẩm nhựa dạng tấm giảm đáng kể. Với sản phẩm cĩ chiều dày càng mỏng, hiện tượng cong vênh và co rút được hạn chế càng nhiều. Nghiên cứu này cũng cho thấy kết quả thí nghiệm và kết quả mơ phỏng tương đồng với nhau. Từ khĩa: Khuơn phun ép nhựa, nhiệt độ nhựa, độ cong vênh, chiều dày tấm. ABSTRACT In this research, the injection molding process of polypropylene plate is simulated and experimented as a function of melt temperature from 200 oC to 280 oC. The effect of melt temperature on the warpage of plate is examined with several plate thicknesses of 1.0 mm, 1.5 mm, 2.0 mm and 2.5 mm. The result shows that when the melt temperature increases from 200 oC to 280 oC, the plate warpage significantly reduces for all types of plate thickness. Also, the reductions of plate warpage and shrinkage are larger when the plate is thinner. In addition, the results of simulation and experiment have a good agreement. Keywords: Injection molding, melt temperature, plate warpage, plate thickness. 50 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số 7 năm 2014 www.cokhivietnam.vn
2. NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI 1. GIỚI THIỆU CHUNG trình làm việc [12-14]. Hiện nay, trong lĩnh vực gia cơng các sản Độ co rút và cong vênh của sản phẩm phẩm nhựa, phương pháp phun ép là một trong nhựa phụ thuộc rất nhiều vào thơng số phun ép những phương pháp phổ biến và hiệu quả nhất. như nhiệt độ khuơn (Mold temperature), áp suất Trong quy trình này, vật liệu nhựa từ dạng hạt sẽ phun (Filling pressure) và thời gian phun (Filling được gia nhiệt đến trạng thái dẻo và nĩng chảy time). Nếu các thơng số phun ép được chọn hợp thành dạng lỏng ở nhiệt độ thơng dụng từ 150 oC lý, hiện tượng cong vênh sẽ được hạn chế và thỏa đến 300 oC. Sau đĩ, nhựa nĩng chảy sẽ được ép mãn các yêu cầu của khách hàng. Hiện nay, cĩ vào lịng khuơn thơng qua cổng phun. Trong các nhiều phương pháp nhằm can thiệp vào quá trình thơng số phun ép, giá trị nhiệt độ nhựa nĩng chảy cong vênh của sản phẩm như: Hạ nhiệt độ khuơn, được gọi đơn giản là nhiệt độ nhựa (Melt tem- tăng áp suất phun, tăng thời gian định hình perature). Sau khi nhựa đã điền đầy lịng khuơn, [6- 9]. Và thơng dụng nhất hiện nay, các thơng số quá trình giải nhiệt cho khuơn và sản phẩm sẽ phun ép thường được kết hợp theo các phương tiếp tục diễn ra. Khi nhiệt độ nhựa giảm đến giá pháp tối ưu hĩa nhằm tìm ra bộ thơng số hợp lý trị nhiệt độ mở khuơn, hai lịng khuơn sẽ mở ra, nhất [10]. Đến nay, đã cĩ nhiều nghiên cứu về vấn sản phẩm được lấy ra ngồi và chu kỳ phun ép sẽ đề cong vênh của sản phẩm nhựa trong lĩnh vực bắt đầu cho sản phẩm mới. phun ép. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu dùng các phương pháp tối ưu hĩa nhằm tìm ra Trong quá trình thiết kế và chế tạo các sản các bộ thơng số tốt nhất cho quá trình phun ép phẩm nhựa dạng tấm với phương pháp phun ép, [11-14]. hiện tượng co rút và cong vênh luơn xảy ra trong và sau khi hồn thành quá trình ép. Hiện tượng Qua các phân tích nêu trên, hiện tượng co co rút sản phẩm xuất hiện do hiện tượng giảm thể rút và cong vênh là một trong những yếu tố chính tích của nhựa trong quá trình nguội từ nhiệt độ ảnh hưởng đến chất lượng và khả năng làm việc nĩng chảy đến nhiệt độ mở khuơn, và sẽ tiếp tục của sản phẩm phun ép nhựa. Mặc dù cĩ nhiều đến khi sản phẩm đạt đến nhiệt độ mơi trường. yếu tố ảnh hưởng đến độ co rút sản phẩm như Kết quả của hiện tượng co rút là các vết lõm xuất vật liệu, thơng số phun ép, thiết kế sản phẩm, hiện trên bề mặt của sản phẩm. Mặc dù các vết thiết kế khuơn, nhưng ảnh hưởng của nhiệt độ lõm này ảnh hưởng khơng nhiều đến chức năng nhựa vẫn chưa được nghiên cứu nhiều và trong của sản phẩm, nhưng tính thẩm mỹ của sản phẩm thực tế sản xuất, phương pháp lựa chọn theo kinh sẽ giảm đáng kể. Hiện tượng co rút thường xuất nghiệm vẫn phải được sử dụng. Do đĩ, trong bài hiện tại các vị trí cĩ chiều dày lớn [1, 2]. Với các báo này, nhiệt độ nhựa sẽ được nghiên cứu chi tiết sản phẩm nhựa, do thiết kế sản phẩm khơng đối hơn. Các kết quả về quá trình cong vênh sẽ được xứng, hoặc trong quá trình phun ép, sản phẩm tổng hợp và so sánh với các chiều dày sản phẩm khơng nguội đều, do đĩ, hiện tượng co rút sẽ khác nhau. Đồng thời, quá trình phun ép sẽ được khơng đồng đều trên tồn thể tích sản phẩm. Đây nghiên cứu thơng qua phương pháp thí nghiệm chính là nguyên nhân gây nên hiện tượng cong và phương pháp mơ phỏng với phần mềm Mold- vênh của sản phẩm nhựa trong lĩnh vực phun ép flow 6.0. Sau đĩ, kết quả mơ phỏng và kết quả thí [3 – 5]. Ngược lại với co rút, hiện tượng cong vênh nghiệm sẽ được tổng hợp và so sánh. sẽ làm sản phẩm giảm đáng kể độ chính xác về kích thước, dẫn đến khơng thỏa mãn yêu cầu của 2. MƠ TẢ THÍ NGHIỆM VÀ MƠ PHỎNG khách hàng, cũng như trong quá trình lắp ráp các sản phẩm. Ngồi ra, khi hiện tượng co rút khơng Trong nghiên cứu này, nhựa Polypropylene đều xuất hiện, ứng suất dư sẽ tồn tại, làm ảnh (PP) sẽ được sử dụng trong quá trình thí nghiệm hưởng xấu đến cơ tính của sản phẩm trong quá và mơ phỏng với các thơng số phun ép được trìnhF TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số 7 năm 2014 51 www.cokhivietnam.vn
3. NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI bày như Bảng 1. Quá trình mơ phỏng với phần Bảng 1: Thơng số phun ép của nhựa Polypropylene mềm Moldflow 6.0 sẽ được tiến hành thơng qua (PP) mơ hình mơ phỏng cĩ 7658 phần tử. Các kích thước của hệ thống kênh dẫn nhựa được mơ hình Thơng số phun ép hĩa như tấm khuơn thực. Sau khi quá trình mơ Nhiệt độ nhựa 180 - 290 °C phỏng kết thúc, kết quả về độ cong vênh được thể Nhiệt độ khuơn 10.0 - 95.0 °C hiện như hình 1. Các kết quả này sẽ được tổng Tốc độ phun 80 - 240 mm/s hợp và so sánh với thực nghiệm. Nhiệt độ sấy 70.0 - 93.3 °C Thời gian sấy 2.0 - 24.0 giờ Trong quá trình thí nghiệm, nhiệt độ Độ ẩm cho phép 0.010 - 0.150 % o khuơn được điều chỉnh ở 40 C, thời gian điền Áp suất phun 4.14 - 130 MPa đầy khuơn là 1 s, thời gian định hình là 5 s, áp suất phun và áp suất định hình được điều chỉnh 3. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ở 100 MPa, thời gian giải nhiệt là 15 s. Các sản phẩm phun ép trong nghiên cứu là các tấm hình Ứng với các giá trị nhiệt độ nhựa khác chữ nhật được thiết kế với kích thước là 30 mm x nhau, kết quả mơ phỏng về độ cong vênh được 150 mm và chiều dày thay đổi là 1.0 mm, 1.5 mm, tổng hợp như Bảng 2 và so sánh như hình 3. Nhìn 2 mm và 2.5mm. Ngồi ra, trong quá trình phun chung, khi tăng nhiệt độ nhựa từ 200oC đến ép, với mỗi loại chiều dày của sản phẩm, các mức 280oC, độ cong vênh của tấm nhựa cĩ sự thay đổi nhiệt độ nhựa sau sẽ được tiến hành thí nghiệm: đáng kể. Với mẫu thử cĩ chiều dày càng mỏng, 200oC, 220oC, 240 oC, 260 oC và 280 oC. Ứng với ảnh hưởng của nhiệt độ nhựa đến cong vênh mỗi trường hợp nhiệt độ nhựa, 20 chu kỳ phun sản phẩm sẽ càng lớn. Với chiều dày 1.0 mm, 1.5 ép sẽ được tiến hành ép thử nhằm đảm bảo hệ mm, 2.0 mm và 2.5 mm, độ cong vênh đã giảm thống đạt được trạng thái ổn định. Sau đĩ, 10 chu lần lượt 1.116 mm, 0.756 mm, 0.711 mm và 0.171 kỳ kế tiếp sẽ được tiến hành thu thập các mẫu cho mm. Khả năng giảm cong vênh của sản phẩm khi quá trình đo độ cong vênh. Độ cong vênh của sản tăng nhiệt độ nhựa cĩ thể được giải thích bởi hiện phẩm được tiến hành đo như hình 2. Ứng với mỗi tượng đơng đặc nhựa tại vị trí cổng phun (Gate). loại nhiệt độ nhựa và chiều dày sản phẩm, 10 mẫu Trong quy trình phun ép nhựa, sau khi được điền sẽ được đo, và giá trị trung bình của các lần đo sẽ đầy vào lịng khuơn, hiện tượng co rút của vật liệu được sử dụng nhằm so sánh và phân tích với các nhựa sẽ diễn ra do quá trình giảm nhiệt độ. Do trường hợp khác. đĩ, tiếp theo quá trình điền đầy nhựa vào lịng khuơn (Filling step) là quá trình định hình (Pack- ing step). Trong quá trình định hình, nhựa sẽ tiếp tục được ép vào lịng khuơn nhằm bù vào phần thể tích bị co rút do quá trình nguội của nhựa. Quá trình định hình sẽ tiếp tục diễn ra đến khi phần vật liệu nhựa tại vị trí cổng phun đơng đặc [12]. Dựa vào quá trình này, nếu nhiệt độ nhựa Hình 1: Kết quả mơ phỏng độ cong vênh của sản phẩm càng cao, thời gian đơng đặc của nhựa tại vị trí dạng tấm cổng phun sẽ dài hơn, do đĩ, khả năng bù vật liệu do quá trình co rút sẽ được tiến hành trong thời gian dài hơn. Vì vậy, nhìn chung, hiện tượng co rút của sản phẩm sẽ được cải thiện và kết quả là độ cong vênh của tấm nhựa cũng thay đổi theo chiều hướng tốt hơn. Với kết quả này, trong các Hình 2: Đo độ cong vênh của sản phẩm trường hợp phun ép sản phẩm nhựa cĩ thành 52 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số 7 năm 2014 www.cokhivietnam.vn
4. NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI mỏng, phương án tăng nhiệt độ nhựa hồn tồn và mơ phỏng là tương đối giống nhau, quá trình cĩ thể sử dụng nhằm giảm độ cong vênh của sản mơ phỏng cĩ thể dự đốn khá chính xác độ cong phẩm, cũng như tăng khả năng điền đầy lịng vênh của sản phẩm nhựa dạng tấm. Độ sai lệch khuơn. Tuy nhiên, nếu tăng nhiệt độ nhựa quá lớn nhất giữa mơ phỏng và thực nghiệm là 0.024 giới hạn cho phép của vật liệu, sản phẩm sẽ cĩ thể mm. Vì vậy, phương pháp dự đốn độ cong vênh bị bavia hoặc giảm độ bền. của sản phẩm nhựa phun ép bằng phẩn mềm Moldflow là hồn tồn khả thi. Với các loại chiều dày sản phẩm khác nhau, kết quả mơ phỏng cho thấy khi tăng chiều dày từ 1.0 mm đến 2.5 mm và tăng nhiệt độ nhựa từ 200 oC đến 280 oC, độ cong vênh đã giảm rõ rệt từ 1.534 mm xuống 0.11 mm. Trong nghiên cứu này, độ cong vênh giảm với tất cả các mức nhiệt độ nhựa khác nhau khi tăng chiều dày sản phẩm. Kết quả này cĩ thể được giải thích dựa vào độ cứng vững của sản phẩm: Khi chiều dày sản phẩm tăng lên, độ cứng vững của tấm được tăng thêm đáng kể. Trong qui trình phun ép, sau Hình 3: Kết quả mơ phỏng ảnh hưởng của chiều dày khi sản phẩm được lấy ra khỏi lịng khuơn, hiện sản phẩm đến độ cong vênh tượng co rút của vật liệu vẫn tiếp tục diễn ra. Do đĩ, với sản phẩm cĩ chiều dày lớn hơn, khả năng Bảng 3: Kết quả so sánh mơ phỏng độ cong vênh của chống cong vênh sẽ lớn hơn. sản phẩm (δ) giữa thí nghiệm và mơ phỏng ứng với chiều dày 2.5 mm Bảng 2: Kết quả mơ phỏng độ cong vênh của sản phẩm D (mm) Nhiệt độ nhựa Chiều dày (mm) ( oC) 1 1.5 2 2.5 200 1.534 1.07 0.835 0.281 220 1.199 0.692 0.591 0.21 240 0.937 0.504 0.25 0.161 260 0.743 0.516 0.139 0.117 280 0.418 0.314 0.124 0.11 Bên cạnh phương pháp mơ phỏng, độ cong vênh của sản phẩm cịn được khảo sát bằng thực nghiệm. Các mẫu phun ép ở nhiệt độ khuơn 40 oC và chiều dày sản phẩm 2.5 mm ứng với các giá trị nhiệt độ nhựa từ 200 oC; đến 280 oC đã được tiến hành đo kiểm độ cong vênh theo phương pháp như hình 2. Các kết quả so sánh giữa mơ phỏng và thực nghiệm được tổng hợp như Bảng 3 và so sánh như hình 4. Với chiều dày 2.5 mm, o o khi tăng nhiệt độ nhựa từ 200 lên 280 , độ cong Hình 4: Kết quả so sánh độ cong vênh của sản phẩm vênh đã giảm từ 0.305mm xuống 0.110 mm. (δ) giữa thực nghiệm và mơ phỏng ứng với nhiệt độ Ngồi ra, hình 4 cũng cho thấy kết quả thí nghiệm nhựa thay đổi F TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số 7 năm 2014 53 www.cokhivietnam.vn
5. NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI 4. KẾT LUẬN Ngày nhận bài: 12/6/2014 Ngày phản biện: 14/7/2014 Qua quá trình mơ phỏng và đo kiểm thực tế, các kết luận sau đã được rút ra: Tài liệu tham khảo: o - Khi nhiệt độ nhựa tăng từ 200 C đến [1]. L. Shih-Jung, L. Chang-Hsu and W. Y-Chuan, Minimizing o 280 C, độ cong vênh của sản phẩm nhựa dạng tấm the sinkmarks in injection-molded thermoplastics, Adv Polym cĩ sự thay đổi đáng kể. Kết quả này tương tự cho Technol, 2001, Vol. 20(3), p. 202 – 215. tất cả các chiều dày của mẫu thử. Do đĩ, phương [2]. Y. Dongang and K. Byung, Direct-search-based automatic pháp tăng nhiệt độ nhựa trong quá trình phun ép minimization of weldlines in injection-molded parts, Polym-Plastics hồn tồn cĩ thể được sử dụng nhằm hạn chế độ Technol Eng, 1998, Vol. 37(4), p.509–525. cong vênh của các sản phẩm nhựa. Ngồi ra, với [3]. R. A. Harris, R. J. M. Hague and P. M. Dickens, The nhiệt độ nhựa cao, khả năng điền đầy lịng khuơn structure of parts produced by stereolithography injection trong các trường hợp sản phẩm dạng thành mỏng mold tools and the effect on part shrinkage, Int J Machine hoặc sản phẩm phức tạp cũng được cải thiện đáng Tools Manufact, 2004, Vol. 44(1), p. 59–64. kể. Tuy nhiên, thơng số nhiệt độ nhựa chỉ được [4]. M. Kurokawa, Y. Uchiyama, T. Iwai and S. Nagai, Performance thay đổi trong khoảng cho phép của vật liệu nhựa. of plastic gear made of carbon fiber reinforced PA66, Wear, Nếu nhiệt độ nhựa quá cao sẽ dễ dẫn đến khuyết 2003, Vol. 254(5-6), p. 468–473. tật về bavia hoặc làm chậm thời gian giải nhiệt [5]. R. Selden, Thin wall molding of engineering plastics – A literature survey. J Inject Mold Technol, 2000, p. 159–165. cho sản phẩm. [6]. B. H. Lee and B. H. Kim, Optimization of part wall thicknesses to reduce warpage of injection-molded parts based on the - Thơng qua nghiên cứu này, chiều dày modified complex method, Polym-Plastic Technol Eng, 1995, của sản phẩm cũng cĩ ảnh hưởng lớn đến độ Vol. 34(5), p. 793–811. cong vênh của sản phẩm nhựa dạng tấm. Khi tăng [7]. M. C. Huang and C. C. Tai, The effective factors in the chiều dày từ 1.0 mm đến 2.5 mm, độ cong vênh đã warpage problem of an injection-molded part with a thin giảm từ 1.534 mm xuống 0.418 mm với mẫu thử shell feature, J Mater Process Technol, 2001, Vol. 110, p. 1–9. cĩ chiều dày 1 mm. Do đĩ, chiều dày sản phẩm [8]. M. St. Jacques, Analysis of thermal warpage in injection cũng là một thơng số quan trọng cần được quan molded flat parts due to unbalanced cooling, Polym Eng Sci, tâm trong quá trình thiết kế các sản phẩm nhựa, 1982, Vol. 22, p. 241–5. đặc biệt với các sản phẩm dạng thành mỏng. [9]. K. Beiter, K. Ishii and L. Hornherger, Proposed a geome- try-based sink index to predict the sink mark depth of - Thơng qua quá trình đo kiểm thực tế, injection-molded parts, ASME-DED, 1991 Vol. 31, p. 111. độ chính xác của các kết quả mơ phỏng đã được [10]. S. J. Liao, D. Y. Chang, H. J. Chen, L. S. Tsou, J. R. Ho kiểm chứng. Các kết quả so sánh giữa thí nghiệm and H. T. Yau, Optimal process conditions of shrikage and và mơ phỏng cho thấy quá trình mơ phỏng cĩ warpage of thin-wall parts. Polym Eng Sci, 2004, Vol. 44(5), thể dự đốn khá chính xác độ cong vênh của sản p. 917–28. phẩm nhựa dạng tấm. Do đĩ, trong quá trình sản [11]. K.K. Kabanemi, H. Vaillancourt, H. Wang and G. Salloum, xuất, cơng cụ mơ phỏng hồn tồn cĩ khả năng Residual stresses, shrinkage, and warpage of complex injection molded products: numerical simulation and experimental ứng dụng trong thực tế nhằm dự đốn trước mức validation, Polym. Eng. Sci., 1998, Vol. 38 (1), p. 21–37. độ cong vênh của sản phẩm nhựa dạng tấm, từ [12]. G.U. Yuanxian, L.I. Haimei and S. Changyo, Numerical đĩ, nhà sản xuất sẽ cĩ các giải pháp khắc phục simulation of thermally induced stress and warpage in injection- hoặc hạn chế độ cong vênh của sản phẩm. molded thermoplastics, Adv. Polym. Technol., 2001, Vol. 20 (2), p. 14–21. Trong giai đoạn tiếp theo, nhĩm tác giả sẽ [13]. S.J. Liu, Modeling and simulation of thermally induced tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng số stress and warpage in injection molded thermoplastics, phun ép khác đến quá trình co rút và biến dạng Polym. Eng. Sci., 1996, Vol 36 (6), p. 807–818. của sản phẩm phun ép nhựa, cũng như nghiên [14]. K. Hiroyuki and K. Kiyohito, Warpage anisotropy and cứu quá trình co rút của các dạng sản phẩm khác part thickness, Polym. Eng. Sci., 1996, Vol. 36 (10), p. 1326– nhau như: Hình trụ, hình hộp,  1335. 54 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số 7 năm 2014 www.cokhivietnam.vn
6. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CƠNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên cĩ 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 cĩ sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CĨ 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.