Nghiên cứu quá trình gia nhiệt cho lõng khuôn phun ép bằng phương pháp phun khí nóng từ bên ngoài khuôn

Nội dung text: Nghiên cứu quá trình gia nhiệt cho lõng khuôn phun ép bằng phương pháp phun khí nóng từ bên ngoài khuôn

1. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT CHO LÕNG KHUÔN PHUN ÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHUN KHÍ NÓNG TỪ BÊN NGOÀI KHUÔN STUDY ON THE HEATING PROCESS FOR MOLD CAVITY BY EXTERNAL GAS-ASSISTED HEATING. Phạm Sơn Minh (1), Đỗ Thành Trung (1), Lê Tuyên Giáo (2), Trần Minh Thế Uyên (1) (1) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM (2) Trường Cao Đẳng Nghề LILAMA 2 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, phương pháp gia nhiệt cho khuôn từ bên ngoài với dòng khí nóng sẽ được thực hiện trên khuôn thực tế. Kết quả nghiên cứu cho thấy với vùng gia nhiệt cục bộ, khi tăng nhiệt độ dòng khí nóng từ 200 oC đến 400 oC, nhiệt độ ổn định của lòng khuôn sẽ tăng từ 90 oC đến 160 oC. Với phương pháp mô phỏng bằng phần mềm ANSYS, quá trình gia nhiệt bằng khí nóng có thể được dự đoán khá chính xác với sai lệch nhiệt độ nhỏ hơn 10 oC. Ngoài ra, thông qua mô phỏng, phân bố nhiệt độ tại vùng gia nhiệt cũng được làm rõ. Từ khóa: Khuôn phun ép nhựa, gia nhiệt cục bộ, gia nhiệt bằng khí nóng, phân bố nhiệt độ tại lòng khuôn. ABSTRACT In injection molding field, 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) was presented for raising the mold surface temperature in the filling step, and let the cooling step not too long. In this research, the Ex-GMTC was achieved with a real mold. Results show that, with the local heating area, when the gas temperature raises from 200 oC to 400 oC, the stable temperature of the mold surface will increases from 90 oC to 160 oC. By simulating with ANSYS software, the heating process could be predicted with the the error is lower than 10 oC. Besides, by simulation, the mold temperature of the local heating could be observed clearly. Keywords: Injection molding, local heating, gas assisted mold heating, temperature control for mold cavity. I. GIỚI THIỆU như: thước, viết, hay đồ chơi trẻ em, cho Hiện nay trên thị trường có rất nhiều sản đến các sản phẩm phức tạp như: bàn, ghế, vỏ phẩm nhựa. Từ sản phẩm là dụng cụ học tập điện thoại, các chi tiết dùng trong ô tô, xe 1
2. máy, đều được làm bằng nhựa. Các sản ứng có thể nhanh chóng tăng nhiệt độ bề mặt phẩm này có hình dáng, màu sắc phong phú khuôn từ 60 0C lên 140 0C trong thời gian và chúng đã góp phần cho cuộc sống tiện 3.5s. Quá trình mô phỏng trong nghiên cứu nghi hơn. Với các tính chất như: độ dẻo dai, này cũng cho thấy sóng điện từ có thể thâm nhẹ, có thể tái chế, không có những phản ứng nhập vào phần đáy của các kết cấu khuôn, hóa học với không khí trong điều kiện bình tạo ra hiệu ứng gia nhiệt tại bề mặt của các thường, vật liệu nhựa đã thay thế các loại kết cấu này. vật liệu khác như: sắt, nhôm, đồng thau, Trong nghiên cứu khác, phương pháp Do đó, nhu cầu sử dụng vật liệu nhựa trong phun khí nóng vào lòng khuôn nhằm tăng tương lai sẽ phát triển trong tương lai gần. nhiệt độ lòng khuôn đã được thử nghiệm [9]. Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của Trong nghiên cứu này, phương pháp gia các sản phẩm nhựa, công nghệ khuôn mẫu nhiệt bằng khí nóng có thể tăng nhiệt độ nói chung và công nghệ phun ép nhựa nói khuôn từ 60 0C đến 120 0C trong thời gian 2 riêng đã có những bước phát triển đáng kể s. Sau đó, phương pháp này đã được ứng nhằm tạo ra các sản phẩm nhựa có kết cấu dụng trong quá trình phun ép các chip với phức tạp và kích thước ngày càng nhỏ hơn [1 cấu trúc micro và cho kết quả khá tốt với độ – 3]. Trong các dạng sản phẩm nhựa, sản chính xác của các kênh micro có thể đạt đến phẩm có dạng lưới thường được sử dụng 95%. trong đời sống hàng ngày, cũng như trong Qua các nghiên cứu trước đây [6 – 9], các sản phẩm cao cấp với yêu cầu khác nhau công nghệ gia nhiệt cho bề mặt khuôn trong về độ bền, kích thước và tính thẩm mỹ. quá trình phun ép nhựa là một trong những Đối với các chi tiết dạng này để có thể đề tài đang được các nhà khoa học quan tâm. đảm bảo chất lượng đặc biệt là đảm bảo độ Vì vậy, nhằm nghiên cứu kỹ hơn và tiến tới bền của sản phẩm sau khi ép, các yếu tố sau ứng dụng công nghệ gia nhiệt cho bề mặt cần được chú ý trong quá trình phun ép: tối lòng khuôn bằng hương pháp gia nhiệt bằng ưu thiết kế hình học của sản phẩm, đặc tính khí nóng, bài báo này sẽ tiến hành gia nhiệt của vật liệu nhựa, kết cấu khuôn, thông số bằng khí nóng và kiểm tra kết quả tại bề mặt ép, nhiệt độ khuôn trước khi tiến hành ép lòng khuôn. Bên cạnh đó, phương pháp mô v.v Trong đó, nhiệt độ khuôn trước khi ép phỏng sẽ được tiến hành với phần mềm giữ vai trò hết sức quan trọng, với giá trị ANSYS CFX nhằm nghiên cứu kỹ hơn về nhiệt độ khuôn thích hợp sẽ giúp cho một số phân bố nhiệt độ tại bề mặt lòng khuôn. vật liệu nhựa chảy dẻo tốt trong khuôn và II. MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM điền đầy toàn bộ lòng khuôn [5 – 7]. Hiện nay việc gia nhiệt thêm cho khuôn có thể Trong bài báo này, khuôn phun ép thanh được tiến hành với một hệ thống cấp nhiệt thử độ bền kéo (ISO 527 – 1993) với cấu trúc riêng biệt với các môi chất gia nhiệt: nước, dạng lưới sẽ được sử dụng cho quá trình dầu, hơi nước, khí. nghiên cứu khả năng gia nhiệt cho lòng khuôn bằng khí nóng. Kích thước thanh thử Trong các nghiên cứu trước đây, công độ bền kéo được trình bày như Hình 1. Tấm nghệ gia nhiệt cảm ứng điện – từ kết hợp với khuôn dùng cho quá trình thí nghiệm sẽ được làm nguội bằng nước được dùng để tạo ra sự gia công với hai lòng khuôn, hình dạng tấm biến thiên nhanh nhiệt độ khuôn [8]. Nghiên khuôn được trình bày như Hình 2. Trong cứu này cho thấy phương pháp gia nhiệt cảm nghiên cứu này, lòng khuôn cho thanh thử 2
3. 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. Kích thước của khối insert được trình bày như Hình 3. Hình 3: Kích thước khối insert tạo kết cấu dạng lưới Nguồn nhiệt Hình 1: Kích thước mẫu thử kéo. Tấm khuôn cốđịnh Tấm khuôn Tấm khuôn di di độngTấm khuôn A: Vị trí cần gia nhiệt Hình 4: Vị trí của khuôn trong quá trình gia Vị trí tạo kết cấu dạng lưới cho sản phẩm nhiệt. Cổng Trong qui trình phun ép truyền thống, sau vào Lòng Insert block nhựa khi một chu kỳ phun ép được hoàn thành, hai khuôn Cổng vào tấm khuôn sẽ mở ra và sản phẩm sẽ được đẩy nhựa Kênh ra khỏi lòng khuôn. Sau đó, hai tấm khuôn sẽ dẫn nhựa 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 Hình 2: Kết cấu lòng khuôn. trực tiếp lên vị trí cần gia nhiệt cho lòng khuôn. Vị trí của khuôn và nguồn nhiệt nóng được trình bày như Hình 4. 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 quá trình nghiên cứu khả năng gia 3
4. nhiệt cho lòng khuôn bằng khí nóng, phương Khối lượng riêng 2702 kg/m3 pháp đo nhiệt độ tiếp xúc sẽ được sử dụng của nhôm với vị trí đo tại bề mặt tạo kết cấu dạng lưới Nhiệt dung riêng 903 J/kg*K như Hình 1. Ngoài ra, nhằm quan sát phân bố của nhôm nhiệt độ tại khu vực này, phương pháp mô Hệ số dẫn nhiệt của 237 W/m*K phỏng cũng sẽ được thực hiện với phần mềm nhôm ANSYS cho khu vực tạo kết cấu dạng lưới. Hệ số truyền nhiệt Mô hình mô phỏng với 2 phần tử được trình từ khối khí sang 2340 W/m*K bày như Hình 5. Các thông số mô phỏng tấm nhôm được cài đặt như trong môi trường thí Dạng phân tích Quá độ nghiệm thực. Các thông số này được trình nhiệt bày ở Bảng 1. Các mức thời gian 5 s 60 s phân tích (bước 5 s) Bước tối thiểu cho một mức thời gian 1 s phân tích Thời gian khởi tạo 0 s ban 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 Hình 5: Mô hình mô phỏng quá trình gia hai thông số quan trọng, có ảnh hưởng lớn nhiệt bằng khí nóng. đến phân bố nhiệt độ của khu vực cần gia Bảng 1: Thông số mô phỏng nhiệt [8, 9]. Do đó, trong nghiên cứu này, thời gian gia nhiệt sẽ được nghiên cứu từ 0 s Thông số mô phỏng đến 60 s. Bên cạnh đó, nhiệt độ dòng khí Nhiệt độ ban đầu o o 25 oC nóng sẽ được thay đổi từ 200 C đến 400 C. của khối khí Trong quá trình thí nghiệm, cũng như mô Các mức nhiệt độ 200 oC, 250 oC, 300 phỏng, giá trị nhiệt độ tại khu vực tạo lưới sẽ của khối khí dùng oC, 350 oC, 400 oC được thu thập, so sánh và đánh giá. cho thí nghiệm Khối lượng riêng 1,185 kg/m3 của khí III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Nhiệt dung riêng 1004,4 J/kg*K 3.1/ Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến của khí chiều dài dòng chảy Hệ số giãn nở vì 0,003356 K-1 Trong nghiên cứu này, nhằm quan sát ảnh nhiệt của khí hưởng của nhiệt độ dòng khí đến kết quả gia Áp suất khí tham 1 atm nhiệt tại vị trí tạo kết cấu lưới, quá trình thí khảo nghiệm và mô phỏng đều được sử dụng. Với Nhiệt độ ban đầu 25 oC quá trình mô phỏng, các thông số phun ép sẽ của tấm nhôm được cài đặt như quá trình thí nghiệm thực tế 4
5. và được trình bày như Bảng 1. Với mô hình Hình 8: Đồ thị so sánh nhiệt độ đo được thí nghiệm như Hình 4, kết quả nhiệt độ đo 0 tại điểm A ứng với tkhí = 300 C tại bề mặt lòng khuôn được thu thập và trình bày như Bảng 2. Với phương pháp mô phỏng, nhiệt độ bề mặt khuôn cũng đã được thu thập và so sánh với kết quả thí nghiệm như Hình 6 đến Hình 10. Hình 9: Đồ thị so sánh nhiệt độ đo được 0 tại điểm A ứng với tkhí = 350 C Hình 6: Đồ thị so sánh nhiệt độ đo được 0 tại điểm A ứng với tkhí = 200 C Hình 10: Đồ thị so sánh nhiệt độ đo được 0 tại điểm A ứng với tkhí = 400 C Bảng 2: Kết quả nhiệt độ tại bề mặt khuôn Hình 7: Đồ thị so sánh nhiệt độ đo được (0C) với các dòng khí nóng khác nhau 0 tại điểm A ứng với tkhí = 250 C Thời tkhí tkhí tkhí tkhí tkhí gian 400 350 300 250 200 gia 0 0 0 0 0 nhiệt C C C C C 5s 110 105 98 85 75 10s 120 118 117 96 83 15s 147 127 124 101 88 20s 164 132 127 110 92 5
6. 25s 161 144 127 112 92 phun ép bằng khí nóng hoàn toàn có thể dự đoán trước bằng phương pháp mô phỏng với 30s 157 146 125 109 93 sai số nhiệt độ ít hơn 10 oC. 35s 156 146 125 109 95 40s 160 149 125 109 95 45s 159 147 124 110 91 o o T khí = 200 C T khí = 250 C 50s 160 147 125 113 89 55s 158 147 123 114 86 o o 60s 159 148 125 111 90 T khí = 300 C T khí = 350 C (*) Thời gian gia nhiệt: 20 s (*) Vật liệu tấm insert: Nhôm Kết quả mô phỏng và thí nghiệm cho thấy ứng với các giá trị nhiệt độ của dòng khí o nóng, nhiệt độ của bề mặt lòng khuôn sẽ tăng T khí = 400 C rất nhanh trong 5 s đầu tiên của quá trình gia Hình 11: Phân bố nhiệt độ tại tấm insert với nhiệt. Sau đó, trong 10 s tiếp theo, nhiệt độ thời gian gia nhiệt 20 s tại bề mặt khuôn sẽ tăng chậm lại. Nhìn chung, khi nhiệt độ của dòng khí nóng thay Thông qua quá trình mô phỏng, phân bố đổi từ 200 0C đến 400 0C, sau 20 s, nhiệt độ nhiệt độ tại tấm insert sau 20 s gia nhiệt được của bề mặt khuôn sẽ duy trì ổn định. Tương trình bày như Hình 11. Kết quả này cho thấy tự với các nghiên cứu trước đây, sau thời nhiệt độ cao tập trung tại bề mặt của tấm gian tăng nhiệt độ, nhiệt độ bề mặt khuôn sẽ insert, tại vị trí tạo kết cấu dạng lưới cho sản đạt đến giới hạn, tại trạng thái này, năng phẩm nhựa. Với phân bố nhiệt độ này, quá lượng hấp thu từ dòng khí nóng của bề mặt trình giải nhiệt tiếp theo trong chu kỳ phun khuôn sẽ cân bằng với phần năng lượng ép sẽ được thực hiện dễ dàng hơn. Vì vậy, truyền vào phần thể tích của khuôn. Do đó, đây cũng là một trong những ưu điểm nổi bậc nhiệt độ tại bề mặt khuôn sẽ được giữ cân của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng [3 bằng. Tùy thuộc vào giá trị nhiệt độ của dòng – 9]. Ngoài ra, do tấm insert này được làm khí nóng, bề mặt khuôn sẽ đạt đến trạng thái bằng vật liệu nhôm, do đó, phân bố nhiệt độ cân bằng với các mức nhiệt độ khác nhau. Cụ tại bề mặt tạo kết cấu khá đồng điều. thể, khi nhiệt độ dòng khí nóng tăng từ 200 0C đến 400 0C, nhiệt độ cân bằng tại bề mặt IV. KẾT LUẬN khuôn sẽ tăng từ 92 0C đến 160 0C. Kết quả 0 Thông qua nghiên cứu này, quá trình gia này cũng cho thấy, với nhiệt độ 160 C, nhiệt cho lòng khuôn bằng khí nóng đã được phương pháp gia nhiệt này hoàn toàn có thể khảo sát với các loại nhiệt độ dòng khí nóng đáp ứng yêu cầu gia nhiệt cho khuôn phun ép khác nhau. Thông qua quá trình thí nghiệm như các nghiên cứu trước đây đã thực hiện [1 và mô phỏng, các kết luận sau được rút ra: – 5]. Các kết quả từ Hình 6 đến Hình 10 cho thấy phương pháp gia nhiệt cho lòng khuôn - Nhiệt độ bề mặt khuôn sẽ tăng nhanh trong 5 s đầu của quá trình gia nhiệt, sau 6
7. đó, trong 15 s tiếp theo, giá trị này sẽ tăng khả thi, với sai lệch nhiệt độ nhỏ hơn 10 chậm và ổn định sau 20 s. Với dòng khí oC. Bên cạnh đó, thông qua quá trình mô nóng có nhiệt độ cao hơn, giá trị ổn định phỏng, phân bố nhiệt độ bề mặt tại tấm của nhiệt độ bề mặt khuôn sẽ tăng. Khi insert đã được trình bày. Với phân bố này, dòng khí nóng 400 0C được sử dụng, bề nhiệt độ cao sẽ tập trung tại bề mặt lòng mặt lòng khuôn sẽ ổn định nhiệt độ tại giá khuôn do các vị trí này sẽ tiếp xúc trực trị 160 0C. Với nhiệt độ này, phương pháp tiếp với dòng khí nóng. gia nhiệt bằng khí nóng có thể ứng dụng LỜI CẢM ƠN cho hầu hết các loại nhựa thông dụng. Nhóm tác giả chân thành cảm ơn sự hỗ trợ - Phương pháp mô phỏng bằng phần mềm các trang thiết bị phun ép nhựa trong quá ANSYS cho thấy khả năng dự đoán trước trình nghiên cứu đề tài này của trường ĐH kết quả gia nhiệt bằng khí nóng hoàn toàn Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM. 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. 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.