LUẬN VĂN GIA NHIỆT BẰNG KHÍ NÓNG ĐẾN SỰ XUẤT HIỆN ĐƯỜNG HÀN CỦA SẢN PHẨM NHỰA THÀNH MỎNG

GIA NHIỆT CỤC BỘ CHO LÕNG KHUÔN PHUN ÉP NHỰA BẰNG KHÍ NÓNG

LOCAL HEATING FOR INJECTION MOLD WITH THE HOT AIR HEATING METHOD

Đỗ Thành Trung (1), Phạm Sơn Minh (1), Phan Thế Nhân (2), Phùng Huy Dũng (3)

(1) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM

(2) Trường Cao Đẳng Nghề Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM

(3) Trung Tâm Kiểm Định Kỹ Thuật An Toàn Khu Vực 2

TÓM TẮT

Nâng cao nhiệt độ bề mặt lòng khuôn khi nhựa nóng chảy được ép vào khuôn phun ép là một

trong những phương pháp nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa trong quá trình phun ép. Trong thời gian gần đây, phương pháp gia nhiệt cho bề mặt khuôn bằng khí nóng đã được ứng dụng. Trong nghiên cứu này, nguồn khí nóng 200 oC đã được sử dụng trong quá trình gia nhiệt cho lòng khuôn hình chữ nhật. Kết quả thí nghiệm cho thấy khi gia nhiệt bằng khí nóng từ bên ngoài, nhiệt độ bề mặt khuôn sẽ tăng nhanh trong 10 s đầu, sau đó, giá trị này sẽ tăng chậm trong 10 s tiếp theo và ổn định sau 20 s. Thông qua quá trình mô phỏng với phần mềm ANSYS, phương pháp này cho thấy phân bố nhiệt độ trên bề mặt khuôn khá tốt. Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thí nghiệm cho thấy sự sai lệch khoảng 6 oC trong suốt 60 s khảo sát trên bề mặt khuôn. Tại thời điểm ổn định, nhiệt độ tại các điểm khảo sát dao động trong khoảng 80 oC đến 100 oC.

Từ khóa: Phun ép, khuôn nhựa, gia nhiệt cục bộ.

ABSTRACT

Increase the mold surface when the melt filling the cavity is a method for improving the

injection molding part. Recently, the hot air is offent used for mold surface heating. In this paper, the 200 oC air was used in the heating step for a rectangular mold cavity. Results show that with the external hot air heating, the temperature of mold surface will fastly increase in the first 10 s, after that, this value will be increasing slowly in the next 10 s, later, the temperature will be stable after 20 s for heating. Based on the simulation with ANSYS software, the air heating shows a good temperature uniformity. The difference between simulation and experiment result is lower than 6 oC in 60 s for heating. At the stable stage, the mold surface temperature is varied from 80 oC to 100 oC.

Keywords: Injection molding, plastic mold, local heating.

1.  GIỚI THIỆU

Phun ép là công nghệ phun nhựa nóng chảy được định lượng chính xác vào lòng khuôn

đóng kín với áp lực cao và tốc độ nhanh, sau thời gian ngắn, sản phẩm được định hình, và khi đạt đến nhiệt độ nguội theo yêu cầu, sản phẩm được lấy ra ngoài. Sau đó, chu kỳ phun ép tiếp theo sẽ được tiến hành. Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, các sản phẩm nhựa được thiết kế và phát triển theo xu hướng nhẹ hơn, nhỏ hơn, mỏng hơn. Do đó, quá trình phun ép các sản phẩm dạng này đang đối mặt với các thử thách lớn. Nếu trong suốt quá trình điền đầy khuôn, nhiệt độ khuôn có thể duy trì ở giá trị cao hơn nhiệt độ chuyển pha của vật liệu nhựa thì khả năng điền đầy khuôn với những chi tiết có kích thước micro sẽ tăng lên [1, 2]. Nhiệt độ khuôn đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành đường hàn, dẫn đến ảnh hưởng chất lượng sản phẩm. Vì vậy, kiểm soát và điểu khiển nhiệt độ của khuôn là một trong những yêu cầu cần thiết để đạt được chất lượng sản phẩm tốt nhất. Nhìn chung, mục tiêu quan trọng của quá trình điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép là: gia nhiệt cho bề mặt khuôn đến nhiệt độ yêu cầu, nhưng vẫn đảm bảo thời gian chu kỳ phun ép không quá dài. Với mục tiêu này, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện và các kết quả tích cực dần được công bố trong những năm gần đây [1 – 8].

Nhóm tác giả thuộc bộ môn kỹ thuật và khoa học vật liệu, đại học Shangdong, Trung Quốc đã nghiên cứu quá trình mô phỏng phản ứng nhiệt và tối ưu hóa cấu trúc khuôn cho quá trình ép chu kỳ gia nhiệt nhanh chóng, tương ứng với gia nhiệt bằng nước và gia nhiệt bằng điện

[5]. Trong nghiên cứu này, kết quả cho thấy lớp cách nhiệt có thể tăng giới hạn nhiệt độ của chu kỳ gia nhiệt nhanh cho công nghệ ép phun với phương pháp gia nhiệt bằng hơi nước và cải thiện tốc độ gia nhiệt của chu kỳ gia nhiệt nhanh cho công nghệ ép phun với phương pháp gia nhiệt bằng điện. Do đó, phương pháp gia nhiệt bằng hơi nước thường được sử dụng cho các vật liệu polymer mà không yêu cầu nhiệt độ bề mặt các khoang cao thường nhỏ hơn 160

0C.

Trong nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc đại học Chung Yuan Christian, Đài Loan,  công nghệ gia nhiệt cảm ứng điện từ kết hợp với làm nguội bằng nước được dùng để tạo ra sự biến thiên nhanh nhiệt độ khuôn [6]. Quá trình mô phỏng sự biến thiên nhiệt độ sử dụng công nghệ CAE (ANSYS) kết hợp với đo lường thực nghiệm trên các mẫu sản phẩm (có dạng các kênh dẫn vi mô) đã chỉ ra rằng gia nhiệt cảm ứng có thể nhanh chóng tăng nhiệt độ bề mặt khuôn từ

60 0C lên 140 0C trong vòng 3,5 giây. Quá trình mô phỏng cũng cho thấy sóng điện từ có thể thâm nhập vào trong phần đáy của các kênh dẫn, tạo ra hiệu ứng cảm ứng điện từ và gia nhiệt cho các kết cấu micro. Các kết quả từ nghiên cứu này cho thấy việc tăng nhiệt độ thông qua gia nhiệt cảm ứng giúp cải thiện độ chính xác lặp cho các chi tiết dạng micro mà không cần

tăng thời gian chu kỳ ép. Bên cạnh đó, trong đề tài khác của nhóm nghiên cứu này, phương pháp điều khiển nhiệt độ bề mặt khuôn sử dụng lớp vật liệu cách nhiệt để thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn nhanh chóng cũng được đề cập [7]. Tuy nhiên, khi thay đổi các phương pháp gia nhiệt khác nhau, phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ được xem là hiệu quả nhất với thời gian gia nhiệt trung bình từ 2 s đến 4 s, trong khi đó, phương pháp gia nhiệt bằng tia hồng ngoại có sử dụng vật liệu cách nhiệt sẽ cần thời gian khoảng 15 giây.

Với các phương pháp gia nhiệt cho khuôn trước đây, thời gian chu kỳ sẽ kéo dài, do đó, hiệu quả kinh tế sẽ giảm rõ rệt. Để rút ngắn thời gian gia nhiệt cho khuôn, các phương pháp gia nhiệt bề mặt khuôn đã được nghiên cứu [5 – 8]. Trong đó, phương pháp dùng khí nóng để nâng nhiệt độ lòng khuôn đang được nhiều nhà nghiên cứu tập trung khai thác [7 – 8]. Một trong những khó khăn của phương pháp này là khả năng điều khiển dòng khí nóng nhằm giảm chênh lệch nhiệt độ tại bề mặt lòng khuôn. Do đó, nghiên cứu này sẽ tập trung ứng dụng công cụ CAE (Computer assited Engineering) nhằm phân tích và dự đoán kết quả gia nhiệt bằng

khí nóng cho một bộ khuôn với sản phẩm thực. Thông qua mô phỏng trên phần mềm ANSYS CFX, các giá trị nhiệt độ và sự phân bố nhiệt độ tại bề mặt lòng khuôn sẽ được xác định. Sau đó, thí nghiệm gia nhiệt sẽ được tiến hành nhằm khảo sát nhiệt độ của bề mặt khuôn theo thời gian gia nhiệt, cũng như đánh giá độ chính xác của kết quả mô phỏng.