Nghiên cứu phân bố từ trường trong qui trình gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa với các hình dạng khác nhau của cuộn dây

Nội dung text: Nghiên cứu phân bố từ trường trong qui trình gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa với các hình dạng khác nhau của cuộn dây

1. NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ TỪ TRƢỜNG TRONG QUI TRÌNH GIA NHIỆT CHO KHUÔN PHUN ÉP NHỰA VỚI CÁC HÌNH DẠNG KHÁC NHAU CỦA CUỘN DÂY. RESEARCH ON MAGNETIC FIELD DISTRIBUTION FROM THERMAL PROCESSES IN MOULD FOR PLASTIC WITH DIFFERENT SHAPE OF COILS. Phạm Sơn Minh (1), Phạm Xuân Tâm(2). (1) Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. HCM (2) Công ty TNHH TM-SX Nhựa Chí Thành.VN TÓM TẮT Gia nhiệt khuôn được sử dụng rất phổ biến trong sản xuất sản phẩm nhựa. Đặc biệt gia nhiệt bằng cảm ứng từ ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong khuôn phun ép, do tốc độ gia nhiệt nhanh và tiết kiệm năng lượng. Hiện tại, gia nhiệt bề mặt bằng cảm ứng từ mới ứng dụng trên khuôn có một lòng khuôn để khắc phục lỗi sản phẩm như lỗi đường hàn, tăng khả năng điền đầy khuôn ở các sản phẩm mỏng. Do yêu cầu tăng năng suất nên các công ty sử dụng khuôn có nhiều lòng khuôn. Nhìn chung, gia nhiệt bề mặt bằng cảm ứng từ trên khuôn có nhiều lòng khuôn rất phức tạp do từ trường phân bố không đều nên nhiệt bộ cũng phân bố không đều trên bề mặt các lòng khuôn. Trong bài báo này sẽ nghiên cứu sự phân bố từ trường trên khuôn nhiều lòng khuôn thông qua sự phân bố nhiệt độ. Từ khóa: Khuôn phun ép nhựa, gia nhiệt cục bộ, gia nhiệt bằng cảm ứng từ, phân bố nhiệt độ tại lòng khuôn. ABSTRACT Heated mold used very popular in manufacturing plastic products. Especially, heated by magnetic induction is increasingly widely used, due to rapid heating speed and save energy. Currently, the surface heating by induction of new applications on the site have a cavity to fix the error as welding lines, improve mold filling in the thin products. Due to the requirement to increase productivity so companies can use multiple cavity mold. In general, the surface heating by induction from multiple cavity mold on a very complex magnetic field due to uneven distribution of heat also unevenly distributed on the surface of the cavity. In this paper will study the magnetic field distribution on multiple cavity molds through the temperature distribution. .Keywords: Injection molding, local heating, induction heating, temperature control for mold cavity.
2. I TỔNG QUAN. Do sự phát triển của xã hội và sự gia tăng dân số nên nguyên vật liệu trong tự nhiên sử dụng cho sản xuất dụng cụ, thiết bị, hàng tiêu dùng ngày càng khan hiếm. Vì thế nguyên liệu nhựa ngày càng sử dụng phổ biến, từ sản phẩm tiêu dùng đến sản phẩm công nghệ cao. Nhưng nguồn nguyên liệu có hạn mà nhu cầu tiêu dùng thì có hướng tăng nên để phát triển bền vững chúng ta phải sử dụng nguyên liệu hợp lý. Hiện nay, các công ty đã đầu tư các công nghệ gia nhiệt khuôn phun ép để làm tăng chất lượng sản phẩm, giảm sản phẩm lỗi, giảm chi phí sản xuất[4]. Trong những công nghệ gia nhiệt khuôn như gia nhiệt bằng dầu nóng, khí nóng, điện trở, hồng ngoại, cảm ứng từ thì công nghệ cảm ứng từ được đánh giá cao[1]. Tùy theo từng loại nhựa mà yêu cầu nhiệt độ khuôn khác nhau. Ví dụ nhựa PS nhiệt độ đông đặc thấp nên nhiệt độ lòng khuôn yêu cầu 600C-700C, nhựa PC nhiệt độ đông đặc cao nên nhiệt độ lòng khuôn yêu cầu 900C-1200C. Trong thời gian bơm nhựa điền đầy lòng khuôn (thường nhỏ hơn 2 giây) nên giữ nhiệt độ lòng khuôn lớn hơn nhiệt độ đông đặc, vì như vậy sẽ giảm được các lỗi sản phẩm, chất lượng sản phẩm ổn định, công ty tăng khả năng cạnh tranh. Với những yêu cầu của gia nhiệt khuôn, người ta đánh giá cao phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ vì cảm ứng từ chỉ làm nóng bề mặt lòng khuôn trong thời gian ngắn. Hiện nay , có ba phương pháp gia nhiệt khuôn bằng cảm ứng từ: • Phương pháp 1: Cuộn dây bao xung quanh khuôn. • Phương pháp 2: Cuộn dây đặt bên trong khuôn. • Phương pháp 3: Cuộn dây do cánh tay máy đưa vào gia nhiệt bề mặt khuôn. Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm, trong nghiên cứu này sử dụng cuộn dây gia nhiệt bề mặt khuôn.Đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng gia nhiệt cảm ứng từ trên khuôn phun ép có một lòng khuôn,ví dụ lòng khuôn có biên dạng hình chữ nhật thì dùng cuộn dây hình chữ nhật [3], nhưng chưa có nghiên cứu gia nhiệt trên khuôn có nhiều lòng khuôn.Vấn đề mà nghiên cứu này cần giải quyết là : • Sự tương thích giữa hình dạng cuộn dây và hình dạng bố trí các lòng khuôn . • Sự phân bố từ trường trong các lòng khuôn phải đều để nhiệt phân bố đều. • Trong tổng thời gian rút cánh tay máy và đóng khuôn( khoảng 5 giây) nhiệt từ mặt phân khuôn truyền vào lòng khuôn phải đạt yêu cầu . Do chỉ được gia nhiệt trên bề mặt nên thời gian giải nhiệt ngắn. Khuôn âm được sử dụng trong thí nghiệm có kích thước 128x128x40 mm3,trên khuôn có sáu lòng khuôn như hình 1.
3. Lỗ chứa chốt tạo lỗ Mặt phẳng phân khuôn Lòng khuôn Kênh dẫn nhựa Hình 1: Khuôn âm dùng thực hiện thí nghiệm. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp gia nhiệt bề mặt khuôn âm bằng ba loại cuộn dây như hình 2. Hình 2: Cuộn dây gia nhiệt dùng trong thí nghiệm.
4. II. PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG Trong nghiên cứu này, khuôn được chế tạo bằng thép C45,cuộn dây được chế tạo bằng ống đồng đường kính 6mm. Hình 3: Kích thƣớc lòng khuôn. Bảng 1. Thông số thí nghiệm Thông số thí nghiệm Tên gọi Giá trị Đơn vị Tần số dòng điện cao tần 25 kHz Cường độ dòng điện tối đa 50 A hiển thị ở đồng hồ máy phát Khoảng cách giữa cuộn dây 3 mm và mặt phân khuôn Thời gian gia nhiệt 4;7;10;13 s Khuôn có sáu lòng khuôn ,các lòng khuôn bố trí theo hình chữ nhật.Lòng khuôn có hình dạng then bán nguyệt, kích thước 14x18mm2, bán kính rãnh cong là 7mm. Tiến hành thí nghiệm với từng mốc thời gian là ,4s,7s,10s,13s nhằm mục đích chọn thời gian gia nhiệt thích hợp.
5. Cuộn dây được đặt cách mặt phân khuôn 3mm. Đo nhiệt độ bằng máy đo hồng ngoại với khoảng cách đo theo tiêu chuẩn qui định của máy(16cm). Đo nhiệt độ trên ba khu vực: mặt phân khuôn(gần miệng phun nhựa),kênh dẫn nhựa và 6 lòng khuôn. Mỗi lần đo xong một vị trí, cho nước vào giải nhiệt về nhiệt độ ban đầu (khoảng 300C). Sau đó tiếp tục tiến hành gia nhiệt và đo ở vị trí khác. Sau khi tiến hành thí nghiệm xác định thời gian gia nhiệt thích hợp ta đươc kết quả như ở Bảng 2. Bảng 2. Kết quả gia nhiệt theo thời gian tg 4s 7s 10s 13s 0C Cuộn dây Mặt phân 77 197 256 308 xoắn tròn khuôn Kênh dẫn 63 141 208 269 nhựa Đáy lòng 42,4 78,4 102,7 145,6 khuôn Cuộn dây Mặt phân 57 182 237 289 xoắn khuôn vuông Kênh dẫn 50 156 200 245 góc nhựa Đáy lòng 39,7 76,7 106,2 144,6 khuôn Cuộn dây Mặt phân 52 89 117 142 hình chữ khuôn nhật Kênh dẫn 43 67 87 119 nhựa Đáy lòng 35,6 46,3 65,7 87,4 khuôn Từ kết quả ở bảng 2, chọn thời gian gia nhiệt 7s. Vì thời gian 10s,13s sẽ làm thời gian gia nhiệt và giải nhiệt tăng nên làm giảm năng suất sản xuất, nhưng hiệu quả mong muốn ở sản phẩm không tăng. Còn ở mốc thời gian 4s thì nhiệt độ ở lòng khuôn không thích hợp với đa số loại nhưa. Trong ghiên cứu này sử dụng phần mềm COMSOL Mutiphysics 5.0 để mô phỏng quá trình gia nhiệt khuôn phun ép [2]
6. Quá trình mô phỏng gia nhiệt cảm ứng từ dựa vào phương trình Maxwell: xE= -jωB ; xH= J ; H= ; E= ; xJ= -jωσB ; xB= µJ ; - ; ; ; Áp dụng công thức tính dòng điện Eddy để xác định phân bố nhiệt độ trên các lòng khuôn [5] ; Je: Mật độ dòng điện Eddy Q: Nhiệt lượng sinh ra bởi dòng điện Eddy. Kết quả mô phỏng và thí nghiệm trong 7s: a. Hiển thị phân bố nhiệt độ. Hình 4: Mô phỏng phân bố nhiệt độ trên khuôn.
7. b. Hiển thị phân bố từ trường . + Phân bố từ trường trên mặt phân khuôn Hình 5: Mô phỏng phân bố từ trƣờng trên khuôn. + Phân bố từ trường trên trong các lòng khuôn
8. Hình 6: Mô phỏng phân bố từ trƣờng trong lòng khuôn. Nhận xét: + Cuộn dây xoắn vuông góc tạo ra sự phân bố đồng đều từ trường trong các lòng khuôn. + Cuộn dây hình chữ nhật tạo ra sự phân bố đồng đều từ trường trong các lòng khuôn,nhưng cường độ từ trường yếu nên nhiệt độ sinh ra thấp. + Cuộn dây xoắn tròn (spiral) phân bố từ trường không đều trên các lòng khuôn được bố trí thành hình chữ nhật nên có những vị trí chênh lệch nhiệt độ lớn. Sau khi ngừng gia nhiệt 5s, nhiệt độ tại sáu lòng khuôn đo đươc như sau: Hình 7:Phân bố nhiệt độ trên khuôn sau khi ngừng gia nhiệt 5
9. Trong thời gian 4s thì ảnh hưởng của dòng điện Eddy sinh ra nhiệt độ trên bề mặt thể hiện rất rõ, thời gian càng lâu thì có sự truyền nhiệt từ bề mặt khuôn vào bên trong khuôn làm ảnh hưởng sự phân bố nhiệt.Do 6 lòng khuôn bố trí chia thành 2 hàng đối xứng nhau nên nhiệt độ phân bố khi gia nhiệt tương đối giống nhau vì vậy có thể biểu diễn phân bố nhiệt độ theo vị trí A,B,C như hình 8 . Hình 8:Biểu đồ nhiệt độ tại các lòng khuôn A,B,C khi gia nhiệt trong 4 s. III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN -Trong nghiên cứu này thông qua giá trị nhiệt độ ta có thể xác định sự phân bố từ trường như sau: +Vùng mặt phẳng phân khuôn gần cuộn dây nhất nên từ trường tập trung cao nhất. Vùng mặt đáy kênh dẫn nhựa cách mặt phân khuôn 2mm nên nhiệt độ cũng có sự chênh lệch với mặt phân khuôn. Vùng lòng khuôn có hình dạng mặt cong,nhiệt độ tại vùng này thấp nhất nên từ trường tại vùng này yếu nhất. +Cuộn dây xoắn tròn tốc độ gia nhiệt nhanh,nhưng các lòng khuôn có sự chênh lệch nhiệt độ,chứng tỏ từ trường phân bố không đều. +Cuộn dây xoắn vuông góc có tốc độ gia nhiệt chậm hơn cuộn dây xoắn tròn nhưng nhiệt độ tại các lòng khuôn tương đối đều. +Cuộn dây hình chữ nhật có sự phân bố từ trường tương đối đều nên nhiệt độ tại các lòng khuôn tương đối đồng đều.Nhưng tốc độ gia nhiệt chậm không thích hợp trong sản xuất.
10. Biểu đồ so sánh kết quả mô phỏng và thí nghiệm 0C cuộn dây hình chữ nhật 51 50 50 49 49 48.5 48 48 Mô phỏng 47 47 47 Thí nghiệm 46 45 Vị trí A Vị trí B Vị trí C Biểu đồ so sánh kết quả mô phỏng và thí nghiệm 0C cuộn dây xoắn vuông góc 50.5 50 50 49.5 49 49 48.5 48.5 48 48 Mô phỏng 47.5 47 47 Thí nghiệm 47 46.5 46 45.5 Vị trí A Vị trí B Vị trí C Biểu đồ so sánh kết quả mô phỏng và thí nghiệm 0C cuộn dây xoắn tròn 51 50 50 49 49 48.5 48 48 Mô phỏng 47 47 Thí nghiệm 47 46 45 Vị trí A Vị trí B Vị trí C Hình 9: So sánh kết quả phân bố nhiệt độ của mô phỏng và thí nghiệm theo thứ tự từ trên xuống :cuộn dây hình chữ nhật, cuộn dây xoắn vuông góc ,cuộn dây xoắn tròn .
11. IV. KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, tốc độ gia nhiệt cảm ứng từ trên bề mặt khuôn phun ép rất nhanh.Bằng kết quả mô phỏng và thí nghiệm cho phép đưa ra kết luận sau: (i) Hình dạng cuộn dây gia nhiệt quyết định sự phân bố từ trường trên các lòng khuôn. (ii) Khoảng cách giữa bề mặt cuộn dây và mặt phân khuôn có ảnh hưởng lớn đến sự phân bố nhiệt độ trên khuôn. (iii) Kích thước thước hình dạng cuộn dây nên ở trong khoảng 80% đến 90% so với kích thước hình dạng bố trí các lòng khuôn.Kích thước lớn hơn làm từ trường phân bố trên mặt phân khuôn nhiều hơn trong lòng khuôn. (iv) Tốc độ gia nhiệt của cuộn dây xoắn tròn nhanh hơn cuộn dây xoắn vuông góc. (v) Bước của cuộn dây gia nhiệt ảnh hưởng lớn đến tốc độ gia nhiệt. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 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 31 (1) (2010) 382-395. [2] PGS.TS Đặng Thành Trung,COMSOL –Nền tảng và ứng dụng trong mô phỏng số,Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. [3] S. C. Chen, W. R. Jong, and J. A. Chang, Dynamic mold surface temperature control using induction heating and its effects on the surface appearance on weld line, J. Appl. Polym. Sci., 101 (2006) 1174-1180. [4] Keun Park, Dong-Hwi Sohn, Kwang-Hwan Cho, Eliminating weldlines of an injection-molded part with the aid of high-frequency induction heating, Journal of Mechanical Science and Technology 24 (2010) 149~152. [5] Savia D. J., Induction Heating of Samples in Vacuum Systems. In The Proceeding of the COMSOL Users conference 2007 Grenoble, 2007. Địa chỉ liên hệ : 1) Phạm Xuân Tâm - Tel: 0975.039.900 - E-mail: phamxuantam2007@yahoo.com Công ty TNHH-TM-Sản Xuất Nhựa Chí Thành.618 Trần Đại Nghĩa, Q.Bình Tân, Tp.HCM 2) Phạm Sơn Minh - Tel: 0938.226.313 - E-mail: minhps@hcmute.edu.vn Khoa Đào tạo Chất lượng cao - Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM 01 Võ Văn Ngân, Q. Thủ Đức, TP. HCM
12. 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.