Nâng cao độ bền kéo của sản phẩm nhựa dạng lưới bằng phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng từ bên ngoài

Nội dung text: Nâng cao độ bền kéo của sản phẩm nhựa dạng lưới bằng phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng từ bên ngoài

1. NÂNG CAO ĐỘ BỀN KÉO CỦA SẢN PHẨM NHỰA DẠNG LƯỚI BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIA NHIỆT BẰNG KHÍ NÓNG TỪ BÊN NGOÀI IMPROVE THE STRENGTH OF MESHING PRODUCT BY EXTERNAL GAS ASSISTED MOLD TEMPERATURE CONTROL Lê Hiếu Giang (1), Phạm Sơn Minh (1), Lê Tuyên Giáo (2), Nguyễn Ánh Vân Hà (3) (1) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM (2) Trường Cao Đẳng Nghề LILAMA 2 (3) Trường Cao Đẳng Nghề Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM TÓM TẮT Trong qui trình phun ép nhựa, nhiệt độ khuôn càng cao sẽ có tác dụng tốt với chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, nhiệt độ khuôn càng cao sẽ dẫn đến thời gian giải nhiệt cho khuôn càng dài. Do đó, quá trình gia nhiệt cho bề mặt khuôn được đề xuất nhằm nâng cao nhiệt độ bề mặt khuôn trong quá trình nhựa điền đầy khuôn và giúp thời gian giải nhiệt cho khuôn không kéo dài quá lâu. Trong nghiên cứu này, bề mặt khuôn phun ép sẽ được gia nhiệt với các mức nhiệt độ thay đổi từ 30 oC đến 150 oC, sau đó, qui trình phun ép sẽ được thực hiện với nhựa PA6 + 30% glass fiber. Các mẫu sản phẩm nhựa dạng lưới sẽ được tiến hành thử độ bền kéo. Từ khóa: Khuôn phun ép nhựa, gia nhiệt cục bộ, gia nhiệt bằng khí nóng, phân bố nhiệt độ. ABSTRACT For the injection molding process, the high mold temperature shows many advantages with the product quality. However, higher mold temperature will lead to the longer cooling time. Therefore, the external gas assisted mold temperature control (Ex-GMTC) is presented for raising the mold surface temperature in the filling step, and let the cooling step doesnot too long. In this research, the cavity surface will be pre-heated to the target temperture which is waried fron 30 oC to 150 oC, After that, the injection molding process will be achieved with the material of PA6 + 30% glass fiber. Then, the meshing product will be used for the strength testing. Keywords: Injection molding, local heating, gas assisted mold heating, temperature control. I. GIỚI THIỆU Hiện nay, do yêu cầu ngày càng cao của thị trường và người tiêu dùng, các sản phẩm nhựa ngày càng có các kết cấu, hình dạng phức tạp hơn. Song song với quá trình phát triển các thiết kế này, các khuyết tật của sản phẩm nhựa cũng sẽ xuất hiện ngày càng nhiều. Hiện nay, các khuyết tật phổ biến do hình dạng của sản phẩm có thể kể đến như: đường hàn (weld line), rổ khí (air trap), cong vênh (warpage) do co rút không đồng đều, Trong nhóm khuyết tật này, khuyết tật về đường hàn được hình thành do quá trình tiếp xúc, giao nhau giữa hai dòng nhựa lỏng. Vì đặc điểm này, đường hàn hầu như xuất hiện trên tất cả các sản phẩm nhựa và tính thẩm mỹ của sản phẩm không những bị ảnh hưởng xấu, mà độ bền của sản phẩm cũng sẽ giảm đáng kể. Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các sản phẩm nhựa, công nghệ khuôn mẫu nói chung và công nghệ phun ép nhựa nói riêng đã có những bước phát triển đáng kể nhằm tạo ra các sản phẩm nhựa có kết cấu phức tạp và kích thước ngày càng nhỏ hơn [1 – 3]. Trong các dạng sản phẩm nhựa, sản phẩm có dạng lưới thường được sử dụng trong đời sống hàng ngày, cũng như trong các sản phẩm cao cấp với yêu cầu khác nhau về độ bền, kích thước và tính thẩm mỹ. Đối với các chi tiết dạng này để có thể đảm bảo chất lượng đặc biệt là đảm bảo độ bền của sản phẩm sau khi ép, các yếu tố sau cần được chú ý trong quá trình phun ép: tối ưu thiết kế hình học của sản phẩm, đặc tính của vật liệu nhựa, kết cấu khuôn, thông số ép, nhiệt độ khuôn trước khi tiến hành ép v.v Trong đó, nhiệt độ khuôn trước khi ép giữ vai trò hết sức quan trọng, với giá trị nhiệt độ khuôn thích hợp sẽ giúp cho một số vật liệu nhựa chảy dẻo tốt trong khuôn và điền đầy toàn bộ lòng khuôn [5 – 7]. Hiện nay việc gia nhiệt thêm cho khuôn có thể được tiến hành với một hệ thống cấp nhiệt riêng biệt với các môi chất gia nhiệt như nước, dầu và khí. Qua các nghiên cứu trước đây [6 – 9], công nghệ gia nhiệt cho bề mặt khuôn trong quá trình phun 1
2. ép nhựa là một trong những đề tài đang được các nhà khoa học quan tâm. Vì vậy, nhằm nghiên cứu kỹ hơn và tiến tới ứng dụng công nghệ gia nhiệt cho bề mặt lòng khuôn bằng phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng với nhiệt độ trong khoảng 200 oC đến 400 oC, bài báo này sẽ tiến hành gia nhiệt bằng khí nóng và kiểm tra kết quả tại bề mặt lòng khuôn bằng phương pháp thực nghiệm. Bên cạnh đó, phương pháp mô phỏng sẽ được tiến hành với phần mềm ANSYS CFX nhằm nghiên cứu kỹ hơn về phân bố nhiệt độ tại bề mặt lòng khuôn. II. MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM Vị trí tạo kết cấu dạng lưới cho sản phẩm A Cổng vào Lòng Insert block nhựa khuôn Cổng A vào nhựa Kênh dẫn nhựa Hình 1: Kích thước mẫu thử kéo. Hình 2: Kết cấu lòng khuôn. Trong nghiên cứu này, mẫu thử kéo (ISO 527 – 1993) với cấu trúc dạng lưới được chế tạo như Hình 1, và được sử dụng cho quá trình nghiên cứu ảnh hưởng của qui trình gia nhiệt bằng khí nóng đến độ bền kéo của sảm phẩm. Khuôn dùng cho quá trình thí nghiệm sẽ được gia công với hai lòng khuôn như Hình 2. Lòng khuôn cho mẫu thử kéo được thiết kế với 2 cổng vào nhựa. Tại vị trí tạo kết cấu dạng lưới, khối insert sẽ được sử dụng nhằm phục vụ cho quá trình gia nhiệt bằng khí nóng, cũng như quá trình nghiên cứu độ bền kéo ứng với các chiều dày khác nhau của lưới. Hình dạng của khối insert được trình bày như Hình 2. Trong qui trình phun ép truyền thống, sau khi một 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 một chu kỳ phun ép mới sẽ được bắt đầu. 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. Trong các nghiên cứu về quá trình gia nhiệt cho lòng khuôn bằng khí nóng, thời gian gia nhiệt và nhiệt độ dòng khí nóng là hai thông số quan trọng, có ảnh hưởng lớn đến phân bố nhiệt độ của khu vực cần gia nhiệt [8, 9]. Ngoài ra, đây cũng là một trong những yếu tố có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm nói chung và độ bền kéo của sản phẩm nói riêng [1, 3, 4]. Do đó, trong nghiên cứu này, quá trình gia nhiệt sẽ được tiến hành với các mức nhiệt độ: 30o, 60o, 90o, 120o, 150o. Sau đó, các mẫu sản phẩm sẽ được thu thập cho quá trình thử độ bền kéo. Các kết quả thử kéo sẽ được so sánh nhằm phân tích ảnh hưởng của quá trình gia nhiệt bằng khí nóng đến độ bền kéo của sản phẩm dạng lưới. 2
3. Nguồnnhiệt Tấm khuôn cố định cố khuôn Tấm Tấm khuôn di Tấm động A: Vị trí cần gia nhiệt Hình 3: Vị trí của khuôn trong quá trình gia nhiệt. III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Qui trình phun ép các sản phẩm nhựa dạng lưới được tiến hành trên máy phun ép với nhiệt độ nhựa 260 0C, áp suất phun: 65 kg/ cm2, thời gian phun 2 s., thời gian định hình 1 s và nhiệt độ lòng khuôn được thay đổi nhời vào nguồi nhiệt bằng khí nóng như Hình 3. Trong bài báo này, khi hai lòng khuôn mở ra, nhiệt độ lòng khuôn được gia nhiệt đến các mức nhiệt độ: 30 0C, 60 0C, 90 0C, 120 0C, và 150 0C. Sau đó, module gia nhiệt sẽ được rút ra khỏi khu vực phun ép, hai lòng khuôn đóng lại và chu kỳ phun ép bắt đầu. Hình 4 cho thấy các mẫu thử sau khi phun ép với các mức nhiệt độ khác nhau với vật liệu nhựa PA6 + 30% Glass fiber. Ngoài ra, nhờ thiết kế khối insert như Hình 2, chiều Hình 4: Sản phẩm có chiều dày lưới 0,8 mm ứng với các mức nhiệt độ lòng khuôn 300C/ 600C/ 900C/ 1200C/ 1500C. Quá trình thử độ bền kéo cho các sản phẩm như Hình 4 được tổng hợp như Bảng 1, Hình 5 và 6. Các kết quả này cho thấy: - Đối với các sản phẩm được ép từ nhựa PA 6 + 30 % thủy tinh: do có độn thêm sợi thủy tinh trong thành phần hạt nhựa nên các sản phẩm này có khả năng chịu lực kéo cao hơn so với các sản phẩm được ép từ nhựa PA 6. Xét ở cùng nhiệt độ lòng khuôn 30 0C và chiều dày lưới là 0,4 mm, khả năng chịu lực kéo của mẫu sản phẩm PA 6 là 6,89 kgf trong khi mẫu sản phẩm PA 6 + 30 % thủy tinh là 9,30 kgf. 3
4. + Trong cùng một nhiệt độ lòng khuôn (Hình 5): khi tăng chiều dày lưới, khả năng chịu lực kéo của sản phẩm tăng lên. Ở nhiệt độ lòng khuôn 90 0C: với chiều dày lưới 0,4 mm lực kéo tương ứng là 10,41 kgf, khi tăng chiều dày lưới lên 0,8 mm thì lực kéo tăng lên đến 18,41 kgf, tăng 76,8 %. + Trong cùng một chiều dày lưới (Hình 6): khi tăng nhiệt độ lòng khuôn, khả năng chịu lực kéo của sản phẩm cũng tăng lên. Ở chiều dày lưới 0,4 mm: với nhiệt độ lòng khuôn 30 0C, lực kéo tương ứng đạt 9,30 kgf, khi tăng nhiệt độ lòng khuôn lên 150 0C thì lực kéo tăng lên đến 11,14 kgf, tăng 19,8 %. Ở chiều dày lưới 0,6 mm và 0,8 mm khả năng chịu lực kéo tăng lần lượt là 31,5 % và 19,5 %. Bảng 1: Độ bền kéo của sản phẩm dạng lưới ứng với các mức nhiệt độ khuôn khác nhau. Nhiệt độ Lực kéo Bề dày TH lòng khuôn (kgf) (mm) (oC) Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 TB 1 0,4 30 10,30 8,35 9,49 9,95 8,43 9,30 2 0,4 60 10,28 11,36 8,87 10,94 8,93 10,08 3 0,4 90 9,04 10,31 9,81 10,98 11,89 10,41 4 0,4 120 12,67 10,04 8,83 9,63 13,18 10,87 5 0,4 150 8,57 10,59 12,13 11,68 12,74 11,14 6 0,6 30 11,96 13,25 10,79 12,96 14,14 12,62 7 0,6 60 15,65 13,82 13,06 12,52 11,94 13,40 8 0,6 90 14,60 13,87 14,05 14,12 13,88 14,10 9 0,6 120 13,09 14,82 13,32 15,44 16,27 14,59 10 0,6 150 16,91 16,03 15,15 15,79 19,08 16,59 11 0,8 30 12,31 15,57 16,64 18,01 14,48 15,40 12 0,8 60 16,97 16,80 18,43 16,97 16,95 17,22 13 0,8 90 18,14 19,84 17,92 20,07 16,06 18,41 Hình 5: Biểu đồ lực kéo theo chiều dày lưới Hình 6: Biểu đồ lực kéo theo nhiệt độ lòng của sản phẩm (nhựa PA 6 + 30 % thủy tinh) khuôn (nhựa PA 6 + 30 % thủy tinh) 4
5. IV. KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, quá trình gia nhiệt cho lòng khuôn bằng khí nóng đã được khảo sát với các loại nhiệt độ dòng khí nóng khác nhau. Thông qua quá trình thí nghiệm và mô phỏng, các kết luận sau được rút ra: Nghiên cứu này đã tiến hành ép ra các mẫu sản phẩm nhựa PA 6 + 30 % thủy tinh có 3 chiều dày lưới lần lượt 0,4 mm, 0,6 mm và 0,8 mm. Sau đó, các mẫu này được thí nghiệm kiểm ra độ bền kéo. Thông qua các số liệu đã được thu thập và xử lý, nghiên cứu cũng đã chỉ ra ảnh hưởng rõ rệt của nhiệt độ lòng khuôn và chiều dày lưới đến độ bền kéo của sản phẩm. Cụ thể, nhiệt độ lòng khuôn càng cao thì khả năng chịu lực kéo của sản phẩm càng cao đồng nghĩa với việc độ bền kéo của sản phẩm cũng tăng lên tương ứng, chiều dày của sản phẩm càng nhỏ thì độ bền kéo của sản phẩm càng cao, điều này chứng minh phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng rất hiệu quả cho các sản phẩm có chiều dày nhỏ, thành mỏng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T. Osswald, S. Turng and P. Gramann, Injection Molding Handbook, NXB Hanser; Ohio – USA, 2nd Edition, (2008), 764 trang. [2] [3] A. I. Isayev, T. H. Lin and K. Kon, Frozen-in birefringence and anisotropic shrinkage in optical moldings: II. Comparison of simulations with experiments on light-guide plates Polymer, Vol 51, 2010, pp.5623-5639 [4] 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 [5] G. Wang, G. Zhao, Hu. 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 and Design Vol 31, 2010, pp. 382–395 [6] G. Wang, G. Zhao, X. Wang, Development and evaluation of a new rapid mold heating and cooling method for rapid heat cycle molding, International Journal of Heat and Mass Transfer Vol. 78, 2014, pp. 99 - 111 [7] S. C. Chen, H. M. Li, S. S. Hwang and H. H. Wang, Passive mold temperature control by a hybrid filming - microcellular injection molding processing, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol 35, 2008, pp. 822-827. [8] Nguyễn Phước Thiện, Trần Hồng Phúc, Đồ án tốt nghiệp “Thiết kế chế tạo module gia nhiệt bằng khí nóng cho khuôn phun ép”, ĐH SPKT Tp. HCM (2014). [9] A. C. Liou, R.H. Chen, C.K. Huang, C.H. Su and P.Y. Tsai, Development of a heat- generable mold insert and its application to the injection molding of microstructures Microelectronic Engineering, Vol 117, 2014, pp. 41-47. 5
6. 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 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.