Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu khuôn đến quá trình giải nhiệt của tấm khuôn dương với hệ thống Baffle

Nội dung text: Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu khuôn đến quá trình giải nhiệt của tấm khuôn dương với hệ thống Baffle

1. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU KHUÔN ĐẾN QUÁ TRÌNH GIẢI NHIỆT CỦA TẤM KHUÔN DƯƠNG VỚI HỆ THỐNG BAFFLE STUDY THE EFFECT OF THE STRUCTURE TO THE PROCESS OF COOLING THE MOLD TO MOLD POSITIVE PLATE BAFFLE SYSTEM Đỗ Thành Trung , Huỳnh Văn Lợi Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM TÓM TẮT Trong bài báo này, quá trình gia nhiệt và giải nhiệt cho tấm khuôn dương được tiến hành mô phỏng nhằm quan sát phân bố nhiệt độ của tấm khuôn.Tấm khuôn được thiết kế với kênh giải nhiệt có vách phẳng.Quá trình mô phỏng và phân tích nhiệt độ tấm khuôn được khảo sát trên ba thông số: chiều cao khuôn h, bề dày khuôn t, góc khuôn α với ba vật liệu thép,nhôm,đồng.Kết quả cho thấy rằng những thông số trên ảnh hưởng khá rõ đến quá trình giải nhiệt.Ba thông số trên càng tăng khả năng điều khiển nhiệt độ sẽ càng tốt hơn. Từ khóa: khuôn phun ép nhựa, nhiệt độ nhựa, gia nhiệt cục bộ, phân bố nhiệt độ ABSTRACT In this paper, the dynamic mold temperature control for cavity plate was simulated for observing the temperature distribution.The mold plate was designed with baffle cooling channel.The simulation and analysis molding temperatures were surveyed on three parameters: mold height h, mold thickness t, mold angle α with three materials: steel, aluminum,copper.Results show that the parameters impacts clearly on cooling process.Three parameters on increasing the ability to control the temperature the better. Keywords: Injection molding, melt temperature, local heating, temperature control. 1.GIỚI THIỆU CHUNG Trong công nghệ gia công sản phẩm nhựa bằng phương pháp ép phun, nhiệt độ bề mặt lòng khuôn là một trong những thông số quan trọng, có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm nhựa [1-3].Theo các nghiên cứu trên thế giới về lĩnh vực điều khiển nhiệt độ cho khuôn ép phun, nếu ép phun với nhiệt độ bề mặt khuôn cao, chất lượng sản phẩm sẽ được nâng cao, tuy nhiên, thời gian làm nguội, cũng như thời gian gia công sản phẩm sẽ tăng đáng kể [4, 5]. Ngược lại, nếu giảm nhiệt độ bề mặt khuôn trong quá trình ép phun, thời gian làm nguội có thể được rút ngắn, nhưng chất lượng bề mặt sẽ giảm hoặc các khuyết tật của sản phẩm ép phun sẽ xuất hiện nhiều hơn [6].Do đó việc rút ngắn thời gian chu kỳ ép phun nhưng vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm là vấn đề được đặt ra cho các nghiên cứu về khuôn ép phun nói chung và quá trình điều khiển nhiệt độ cho khuôn nói riêng. 1
2. Trong chu kỳ ép phun, việc thiết kế và chọn phương pháp gia nhiệt và giải nhiệt là một vấn đề hết sức quan trọng, quyết định đến toàn bộ thời gian của chu kỳ ép phun. Trong quá trình điều khiển nhiệt độ của khuôn cần lưu ý phù hợp với từng loại vật liệu làm khuôn,vật liệu sản phẩm,và kích thước của chi tiết. Do thời gian giải nhiệt thông thường chiếm 70-80% toàn bộ thời gian chu kỳ ép phun, giải pháp giải nhiệt hợp lý có thể rút ngắn đáng kể thời gian chu trình, tăng năng suất và hạ giá thành sản phẩm. Mặt khác, nếu giải pháp giải nhiệt không hợp lý có thể kéo dài chu kỳ làm việc và tăng giá thành. Ngoài ra, giải nhiệt không đều còn là nguyên nhân của hiện tượng cong vênh, biến dạng sản phẩm. Từ những phân tích trên, việc nghiên cứu công nghệ và chế tạo thiết bị giải nhiệt cho khuôn sẽ góp phần rút ngắn thời gian chu kỳ ép phun cho sản phẩm nhựa. Từ đó, chi phí sản xuất sẽ giảm, tạo tiền đề nâng cao khả năng cạnh tranh của các cơ sở sản xuất nhựa. 2.PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Trong bài báo này mô hình khuôn dương sẽ được mô phỏng bằng modul CFX trong phần mềm ANSYS Workbench [7,8].Quá trình mô phỏng này được thực hiện qua 5 bước chính như sau: Bước 1 Xây dựng mô hình hình học như hình 1. Bước 2 Chia lưới phần tử.Chia theo dạng “inflation”. như hình 2. Bước 3 Thiết lập thông số mô phỏng như sau: o Thời gian mô phỏng: 40 giây o Nhiệt độ ban đầu của khuôn:300C o 20 giây đầu là quá trình gia nhiệt: nước ở nhiệt độ 800C được bơm vào khuôn o 20 giây sau là quá trình giải nhiệt: nước ở nhiệt độ 300C được bơm vào khuôn. Bước 4 Chạy mô phỏng phân tích mô hình. Bước 5 Phân tích kết quả mô phỏng. Hình 1 Mô hình hình học của khuôn Hình 2 Mô hình lưới của khuôn 2
3. 3.PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM Trong bài báo này, mô hình khuôn dương như Hình 3 sẽ được tiến hành phân tích ảnh hưởng kết cấu khuôn đến quá trình giải nhiệt của tấm khuôn dương với hệ thống Baffle qua 3 thông số của khuôn như chiều cao khuôn h, bề dày khuôn t, góc khuôn α trên ba vật liệu thép,nhôm,đồng .Sau khi mô phỏng trên phần mềm Ansys CFX .Tác giả đã thu nhận được phân bố nhiệt độ cuối quá trình gia nhiệt và cuối quá trình giải nhiệt ở hai điểm P1,P2 tại mặt cắt A-A, sau đó tiến hành vẽ đồ thị,phân tích từng trường hợp như sau: Hình 3 Kích thước khuôn và hai điểm đo P1 và P2 [9] 3.1 Phân tích mô phỏng 3.1.1 Ảnh hưởng chiều cao khuôn h đến nhiệt độ khuôn Hình 4 Đồ thị nhiệt Hình 5 Đồ thị nhiệt Hình 6 Đồ thị nhiệt độ của thép CT3 tại hai độ của Nhôm tại hai độ của Đồng tại hai điểm P1,P2,h(10-50mm) điểm P1,P2,h(10-50mm) điểm P1,P2,h(10-50mm) Bằng phương pháp mô phỏng,nhiệt độ bề mặt khuôn đã được thu thập và thể hiện như hình 4,hình 5,hình 6.Kết quả mô phỏng cho thấy khi tăng chiều cao khuôn h thì nhiệt độ điểm P1 tại cuối quá trình gia nhiệt có thay đổi nhưng không đáng kể.Tại điểm P2 nhiệt độ tăng lên rõ rệt cao nhất là vật liệu nhôm kế đến là thép và đồng.Tại cuối quá trình giải nhiệt khi thì chênh lệch nhiệt độ tại các điểm P1 và P2 không đáng kể.Trong đó nhiệt độ tại hai điểm P1 và P2 khi h = 50mm có sự chênh lệch nhiệt độ thấp nhất qua đó nói lên khả năng giải nhiệt tốt.Đáp ứng được yêu cầu gia nhiệt và giải nhiệt. 3
4. 3.1.2 Ảnh hưởng bề dày khuôn t đến nhiệt độ khuôn Hình 7 Đồ thị nhiệt độ Hình 8 Đồ thị nhiệt độ Hình 9 Đồ thị nhiệt độ của thép CT3 tại hai của Nhôm tại hai của Đồng tại hai điểm P1,P2,t(1-5mm) điểm P1,P2,t(1-5mm) điểm P1,P2,t(1-5mm) Kết quả mô phỏng như hình (7,8,9) cho thấy rằng khi tăng bề dày khuôn t thì nhiệt độ điểm P1 tại cuối quá trình gia nhiệt có thay đổi nhưng rất ít.Tại điểm P2 nhiệt độ giảm rất nhanh trong đó vật liệu thép có nhiệt độ P2 cao nhất khi t bằng 1mm và giảm dần khi tăng t từ 1mm đến 5mm .Tại cuối quá trình giải nhiệt thì chênh lệch nhiệt độ tại điểm P1và P2 rất thấp.Trong đó nhiệt độ tại hai điểm P1 và P2 khi bề dày khuôn t = 5mm có sự chênh lệch nhiệt độ thấp nhất, khả năng giải nhiệt cao, đáp ứng yêu cầu trong hai cả quá trình gia nhiệt và giải nhiệt. 3.1.3 Ảnh hưởng góc khuôn α đến nhiệt độ khuôn Hình 10 Đồ thị nhiệt độ Hình 11 Đồ thị nhiệt độ Hình 12 Đồ thị nhiệt độ của thép CT3 tại hai của Nhôm tại hai của Đồng tại hai điểm P1,P2,α(91-950) điểm P1,P2, α(91-950) điểm P1,P2, α(91-950) Theo kết quả thể hiện ở các hình (10,11,12) cho thấy rằng khi tăng góc khuôn α thì nhiệt độ điểm P1 tại cuối quá trình gia nhiệt tăng nhưng không đáng kể.Tại điểm P2 nhiệt độ tăng lên rõ rệt cao nhất là vật liệu nhôm khi góc khuôn α = 95o , kế đến là thép và đồng.Tại cuối quá trình giải nhiệt thì chênh lệch nhiệt độ tại P1 và P2 của cả ba vật liệu rất ít .Trong đó nhiệt độ tại hai điểm P1 và P2 khi α = 95o có sự chênh lệch nhiệt độ ổn định khả năng giải nhiệt cao. 4
5. 3.2 Phân tích giữa mô phỏng và thí nghiệm 3.2.1 So sánh kết quả mô phỏng và thí nghiệm Hình 13 Đồ thị nhiệt độ tại hai điểm P1,P2 Hình 14 Đồ thị nhiệt độ tại hai điểm P1,P2 của khuôn vật liệu Thép của khuôn vật liệu Nhôm Trong quá trình điều khiển nhiệt độ cho tấm khuôn dương, giá trị nhiệt độ tại vị trí điểm P1 và P2 được ghi nhận và so sánh với kết quả mô phỏng như Hình 13 và Hình 14. Dựa vào kết quả Hình 13, sau quá trình gia nhiệt 20s cho tấm khuôn dương, nhiệt độ tại điểm P1 đạt được 50,30C và tại điểm P2 là 66,70C, sau quá trình giải nhiệt 40s nhiệt độ tại điểm P1 đạt được 35,30C và tại điểm P2 là 36.30C. Dựa vào kết quả Hình 14, sau quá trình gia nhiệt 20s cho tấm khuôn dương, nhiệt độ tại điểm P1 đạt được 51.60C và tại điểm P2 là 670C, sau quá trình giải nhiệt 40s nhiệt độ tại điểm P1 đạt được 38.70C và tại điểm P2 là 35.60C.Qua phân tích đồ thị nhiệt độ hình 13,hình 14 cho thấy rằng có sự chênh lệch về nhiệt độ giữa thí nghiệm và mô phỏng tại cuối quá trình gia nhiệt và giải nhiệt.Cụ thể ở cuối quá trình gia nhiệt chênh lệch giữa hai điểm P1 và P2 của hai vật liệu thép và nhôm từ 2- 5oC, tại cuối quá trình giải nhiệt chênh lệch giữa hai điểm P1 và P2 của hai vật liệu thép và nhôm từ 1- 3oC.Tuy nhiên kết quả thí nghiệm và mô phỏng sẽ không giống hoàn toàn kết quả mô phỏng vì nhiều lý do như sai số đầu đọc, nhiệt tỏa ra môi trường, vật liệu không đồng nhất 5
6. 3.2.2 So sánh kết thí nghiệm giữa khuôn thép và khuôn nhôm Hình 15 Đồ thị kết quả nhiệt độ thí nghiệm tại hai điểm P1,P2 của khuôn vật liệu thép và khuôn vật liệu nhôm Dựa vào kết quả hình 15, khi bắt đầu giải nhiệt (20s) thì tại điểm P1 của hai vật liệu thép và nhôm thì vật liệu nhôm có nhiệt độ cao hơn vật liệu thép nhưng không đáng kể.Cuối quá trình giải nhiệt (40s) thì vật liệu thép giải nhiệt nhanh hơn vật liệu nhôm 30C. khi bắt đầu giải nhiệt (20s) thì tại điểm P2 của hai vật liệu thép và nhôm thì vật liệu nhôm có nhiệt độ cao hơn vật liệu thép nhưng không nhiều.Cuối quá trình giải nhiệt (40s) thì vật liệu nhôm giải nhiệt nhanh hơn vật liệu thép 20C.Nhìn chung khuôn vật liệu nhôm dẫn nhiệt nhanh hơn khuôn vật liệu thép nhưng theo kết quả hình 15 thì khuôn vật liệu thép giải nhiệt ổn định hơn khuôn vật liệu nhôm khi xét tại hai điểm P1,P2. 4.KẾT LUẬN Thông qua nghiên cứu này, quá trình giải nhiệt cho tấm khuôn dương với hệ thống Baffle được khảo sát qua ba thông số ảnh hưởng như chiều cao khuôn h,bề dày khuôn t,góc khuôn α với nhiều giá trị khác nhau.Thông qua quá trình mô phỏng và thí nghiệm các kết luận sau được rút ra: Chiều cao khuôn h,bề dày khuôn t,góc khuôn α ảnh hưởng rất nhiều đến sự phân bố nhiệt độ của khuôn. Chiều cao khuôn h,góc khuôn α càng tăng quá trình gia nhiệt và giải nhiệt diễn ra thuận lợi. Bề dày khuôn t giảm khả năng giải nhiệt tương đối ổn định hơn. Trong quá trình gia nhiệt của khuôn dương với hệ thống Baffle, nhiệt độ của khuôn dương tại hai điểm P1 và P2 tăng dần theo thời gian.Ngược lại trong quá trình giải nhiệt, nhiệt độ của khuôn dương tại hai điểm P1 và P2 giảm dần theo thời gian.Có thể nói sự biến thiên nhiệt độ trong quá trình gia nhiệt và giải nhiệt của khuôn dương tại hai điểm P1 và P2 theo thời gian gần như gần như tuyến tính. 6
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Chen S. C. , Chang Y., Chang T. H. , Chien R. D. , Influence of using pulsed cooling for mold temperature control on microgroove duplication accuracy and warpage of the Blu-ray Disc, International Journal of Heat and Mass Transfer 35 (2) (2008) 130 – 138. 2. Smith G. , Wrobel L. C. , McCalla B. A. ,Allan P. S. and Hornsby P. R. , Optimisation of continuous and pulsed cooling in injection moulding processes, Plastics, Rubber and Composites: Macromolecular Engineering 36 (3) (2007) 93 – 100. 3. McCalla B. A., Allan P. S. and Hornsby P. R., An evaluation of heat management in injection mould tools, Plastics, Rubber and Composites: Macromolecular Engineering 36 (1) (2007) 26 – 33. 4. McCalla B. A. , Allan P. S. and Hornsby P. R. , A computational model for the cooling phase of injection moulding, Journal of Materials Processing Technology 195 (1-3) (2008) 305 – 313. 5. Chen S. C. , Wang Y. C. , Liu S. C. , Cin J. C. , Mold temperature variation for assisting micro-molding of DVD micro-featured substrate and dummy using pulsed cooling, International Journal of Heat and Mass Transfer 151 (1) (2009) 87 – 93. 6. Chen S. C, Tarng S. H. and Tseng C. Y., Using pulsed cooling to reduce cycle time and improve part warpage, SPE Antec Techical Paper, 52 (2010) 1421 – 1425. 7. Tutorial của phần mềm Ansys CFX 14.5. 8. WorkBench 14.5, ICEM-CFD 14.5. 9. Peter Jones.The mold Design Guide,Smithers Rapra,2008. 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 B n ti ng Vi t ©, T NG I H C S PH M K THU T TP. H CHÍ MINH và TÁC GI Bản quếy n táệc ph mRƯ ãỜ cĐ bẠ o hỌ b Ưi Lu tẠ xu t Ỹb n vàẬ Lu t S hỒ u trí tu Vi t Nam. NgẢhiêm c m m i hình th c xu t b n, sao ch p, phát tán n i dung khi c a có s ng ý c a tác gi và ả ng ề i h ẩ pđh đưm ợK thuả tộ TP.ở H ậChí Mấinh.ả ậ ở ữ ệ ệ ấ ọ ứ ấ ả ụ ộ hư ự đồ ủ ả Trườ Đạ ọCcÓ Sư BÀI BạÁO KHỹ OA ậH C T ồT, C N CHUNG TAY B O V TÁC QUY N! ĐỂ Ọ Ố Ầ Ả Ệ Ề Th c hi n theo MTCL & KHTHMTCL h c 2017-2018 c a T vi n ng i h c S ph m K thu t Tp. H Chí Minh. ự ệ Năm ọ ủ hư ệ Trườ Đạ ọ ư ạ ỹ ậ ồ