(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo Module gia nhiệt cho khuôn ép nhựa bằng khí nóng phun từ ngoài khuôn

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 3 năm 2016
Học viên
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Ánh Vân Hà

ii


CẢM TẠ
Qua q trình học tập, nghiên cứu và hồn thành luận văn, học trị kính gửi lời
cảm ơn chân thành và sâu sắc đến:
 PGS. TS Lê Hiếu Giang, các thầy đã tận tình chỉ dạy, tạo điều kiện và động
viên học trị trong suốt q trình thực hiện.
 Quý thầy, cô giáo đã tham gia công tác giảng dạy, hướng dẫn học trò và các
thành viên trong lớp, trong tồn bộ khố học.
 Q thầy, cơ giảng dạy tại khoa Cơ khí Chế tạo máy, phịng Đào tạo – bộ
phận sau đại học – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã
giúp đỡ người thực hiện trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường.
 Kính gửi lời cảm tạ tới BGH Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí
Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho cho các học viên tại trường được học tập
và nghiên cứu.
 Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, tập thể cán bộ quản lý, giáo viên
trường Cao đẳng nghề Kỹ thuật Công nghệ Tp. Hồ Chí Minh đã hỗ trợ, động
viên, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình học tập

Kính chúc Q thầy, cơ thật nhiều sức khỏe.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 3 năm 2016
Học viên

Nguyễn Ánh Vân Hà

iii


TĨM TẮT
Kỹ thuật gia nhiệt cho khn phun ép nhựa đóng vai trị ngày càng quan
trọng trong q trình gia công các sản phẩm nhựa yêu cầu kỹ thuật cao. Nhằm phục
vụ cho quá trình nghiên cứu về kỹ thuật gia nhiệt cho bề mặt khuôn. Đề tài
“NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MODULE GIA NHIỆT CHO KHN ÉP NHỰA
BẰNG KHÍ NĨNG PHUN TỪ NGỒI KHN” được tiến hành trong khoảng 1
năm tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh, cho phép giảm thời
gian gia nhiệt khn bởi khả năng truyền dẫn nhiệt cao và khả năng làm nóng cục
bộ, giảm thiểu chi phí sản xuất và chất lượng bề mặt được nâng cao đáng kể. Sau
quá trình thực hiện, đề tài đã giải quyết được các vấn đề sau:
-

Tìm hiểu về các phương pháp gia nhiệt.

-

Phân tích và tìm ra được phương án gia nhiệt bằng khí nóng tối ưu trên
phần mềm Ansys.

-

Thiết kế và gia cơng khối gia nhiệt.

-

Thiết kế module gia nhiệt hoàn chỉnh: khung, mạch điện, cơ cấu truyền động.

-

Thực hiện thí nghiệm đo nhiệt độ, thu thập dữ liệu và đưa ra biểu đồ so
sánh nhiệt độ thực tế với mô phỏng trên Ansys.

-

Đánh giá kết quả và đề ra một vài phương án để phát triển sản phẩm cho
công nghệ phun ép nhựa ở Việt Nam.

iv


ABSTRACT
In injection molding cycle, the mold heating process is becoming more and
more important, especially with the molding of high quality product. To support for
this research direction, the topic of “Studying and manufacturing heating module
with the hot air source from outside for injection molding” has been finished for a
year at Ho Chi Minh University of Technology and Education. The thesis’s content
focused on:
-

Studying on heating methods.

-

Analyzing and finding out the most optimal heating method with the
hot air by Ansys software.

-

Designing and manufacturing heating box.

-

Doing experiments to measure the temperature, make the chart from
experiments and compare the real results with simulation results in
Ansys software.

-

Designing the complete heating module: frame, electrical circuit,
driving structure.

-

Evaluating the result and propose some other methods to develop
product for injection molding technology.

v


MỤC LỤC
Trang tựa ............................................................................................................. Trang
Quyết định giao đề tài ...................................................................................................

Lý lịch khoa học ........................................................................................................... i
Lời cam đoan ...............................................................................................................ii
Cảm tạ ....................................................................................................................... iii
Tóm tắt ....................................................................................................................... iv
Abstract ....................................................................................................................... v
Mục lục ....................................................................................................................... vi
Danh sách các hình.................................................................................................. viii
Danh sách các bảng ..................................................................................................... x
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ........................................................................................ 1
1.1. TỔNG QUAN HƯỚNG NGHIÊN CỨU ........................................................ 1
1.1.1. Các đề tài nghiên cứu trong nước............................................................... 2
1.1.2. Các đề tài nghiên cứu ngồi nước .............................................................. 3
1.2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ................................................................... 6
1.3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN .................................... 6
1.3.1. Ý nghĩa khoa học ........................................................................................ 6
1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn ........................................................................................ 7
1.4. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU, KHÁCH THỂ NGHIÊN CỨU, ĐỐI TƯỢNG
NGHIÊN CỨU ....................................................................................................... 7
1.4.1. Mục đích nghiên cứu .................................................................................. 7
1.4.2. Khách thể nghiên cứu ................................................................................. 7
1.4.3. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................. 8
1.5. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI ................................... 8
1.5.1. Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu ............................................................. 8
1.5.2. Giới hạn đề tài ............................................................................................ 9
1.6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................. 10

vi


CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................... 11

2.1. CÔNG NGHỆ ÉP PHUN .............................................................................. 11
2.1.1. Giới thiệu công nghệ ép phun .................................................................. 11
2.1.2. Các phương thức trao đổi nhiệt ................................................................ 11
2.1.3. Phương pháp gia nhiệt cho khn phun ép bằng khí nóng ...................... 18
2.2. PHẦN MỀM ANSYS .................................................................................... 19
2.2.1. Giới thiệu chung về phần mềm Ansys ..................................................... 19
2.2.2. Giới thiệu về phần mềm ANSYS – Module CFX .................................... 22
CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH MƠ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM ...................................... 24
3.1. MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ................................................................................ 24
3.2. MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM ............................................................................. 25
3.3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN ............................................... 26
3.3.1. Mạch điện điều khiển xy-lanh khí nén ..................................................... 26
3.3.2. Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống: ............................................... 26
3.4. CHẾ TẠO MODULE GIA NHIỆT VÀ TAY MÁY 1 BẬC TỰ DO ........... 27
3.4.1. Khối gia nhiệt ........................................................................................... 27
3.4.2. Hình ảnh thực tế quá trình chế tạo module gia nhiệt ............................... 28
CHƯƠNG 4 THÍ NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............................................ 32
4.1. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM ......................................................................... 32
4.2. PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .................................................... 36
4.2.1. Kết quả so sánh nhiệt độ mô phỏng và thực nghiệm ............................... 36
4.2.2. Đánh giá, kết quả ...................................................................................... 37
4.3. ỨNG DỤNG TAY MÁY GIA NHIỆT CHO CÁC NGHIÊN CỨU VỀ GIA
NHIỆT CHO KHN BẰNG KHÍ NÓNG ........................................................ 40
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ................................................................. 45
5.1. KẾT LUẬN.................................................................................................... 45
5.2. KIẾN NGHỊ ................................................................................................... 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 47

vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH
TRANG
Hình 1.1: Các sản phẩm nhựa ....................................................................................1
Hình 1.2: Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng hơi nước ...........................................4
Hình 1.3: Hệ thống gia nhiệt cho khn bằng tia hồng ngoại ..................................4
Hình 1.4: Phương pháp gia nhiệt cho khn bằng dịng khí nóng ............................5
Hình 1.5: Phương pháp gia nhiệt cho khn bằng cảm ứng từ .................................5
Hình 1.6: Nội dung nghiên cứu ..................................................................................9
Hình 2.1: Cơ cấu máy ép phun .................................................................................11
Hình 2.2: Nguyên lý dẫn nhiệt. ................................................................................13
Hình 2.3: Tỏa nhiệt đối lưu giữa bề mặt vật rắn và khí ...........................................14
Hình 2.4: Các dạng Truyền nhiệt đối lưu .................................................................14
Hình 2.5: Truyền nhiệt bức xạ .................................................................................16
Hình 2.6: Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng ...............................................17
Hình 2.7: Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống ...................................................18
Hình 2.8: Vùng gia nhiệt ..........................................................................................19
Hình 2.9: Phần mềm Ansys ......................................................................................20
Hình 2.10: Mơ phỏng đàn hồi tuyến tính .................................................................20
Hình 2.11: Mơ phỏng dịng chảy..............................................................................21
Hình 2.12: Mơ phỏng ứng suất chi tiết.....................................................................21
Hình 2.13: Mơ phỏng dịng chảy của khí .................................................................22
Hình 2.14: Tiến trình giải bài tốn Ansys - CFX .....................................................22
Hình 2.15: Giao diện cần thực hiện của CFX ..........................................................22
Hình 2.16: Kết quả của mơ phỏng CFX ...................................................................23
Hình 3.1: Mơ hình mơ phỏng và mơ hình lưới ........................................................24
Hình 3.2: Ngun lý phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng phun từ ngồi khn ..26
Hình 3.3: Mạch điện điều khiển xy-lanh khí nén .....................................................26
Hình 3.4: Khối gia nhiệt 1 vòi phun .........................................................................27

viii


Hình 3.5: Khối gia nhiệt 2 vịi phun .........................................................................28
Hình 3.6: Lắp thử lên máy để kiểm tra độ cứng vững của khung đỡ ......................28
Hình 3.7: Lắp thử lên máy để kiểm tra độ cứng vững của khung đỡ ......................29
Hình 3.8: Mạch điện thực tế .....................................................................................29
Hình 3.9: Lắp mạch điều khiển xy lanh và heater vào bộ khung module ................29
Hình 3.10: Module đã được chế tạo hồn chỉnh ......................................................30
Hình 3.11: Lắp module lên máy ép ..........................................................................30
Hình 3.12: Lắp module lên máy ép và tiến hành chạy thử ......................................31
Hình 4.1: Chuẩn bị vận hành ....................................................................................34
Hình 4.2: Vận hành ..................................................................................................34
Hình 4.3: Vận hành, điều khiển vị trí vịi phun ........................................................35
Hình 4.4: Vịi phun đang di chuyển đi xuống ..........................................................35
Hình 4.5: Module đã vào vị trí phun ........................................................................35
Hình 4.6: Phun khí ...................................................................................................36
Hình 4.7: Vị trí đo nhiệt độ ......................................................................................37
Hình 4.8: Phân bố nhiệt độ tại bề mặt tấm insert .....................................................38
Hình 4.9: Kết quả mơ phỏng và thực nghiệm quá trình gia nhiệt bằng từ trường ...40
Hình 4.10: Thay đổi nhiệt độ khn với phương pháp gia nhiệt bằng từ trường. ...40
Hình 4.11: Thí nghiệm gia nhiệt cho cổng phun ......................................................41
Hình 4.12: Thí nghiệm gia nhiệt cho sản phẩm dạng lưới .......................................42
Hình 4.13: Thí nghiệm về chiều dài dịng chảy nhựa ..............................................43
Hình 4.14: Thí nghiệm về làm mờ đường hàn .........................................................44

ix


DANH SÁCH CÁC BẢNG

TRANG
Bảng 2.1: Chiều dài bức xạ ......................................................................................16
Bảng 3.1: Các trường hợp mơ phỏng q trình gia nhiệt cho lịng khn. ..............25
Bảng 3.2: Tính chất vật liệu thép C45 và Nhôm 6061 .............................................25
Bảng 4.1: Nhiệt độ tại bề mặt khn sau 20 s gia nhiệt bằng khí nóng ...................37

x


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1.

TỔNG QUAN HƯỚNG NGHIÊN CỨU
Ở Việt Nam, nhu cầu sử dụng các sản phẩm nhựa đang rất cao, doanh số thị

trường ngày càng cao đòi hỏi năng lực sản xuất phải luôn được nâng cao và cải tiến
để đáp ứng nhu cầu. Bên cạnh đó, khách hàng khơng chỉ chú ý đến chất lượng mà
ngày càng quan tâm đặc biệt đến vấn đề kiểu dáng, thẩm mỹ, thời trang. Vì vậy, nhu
cầu về khn ép nhựa ngày càng cao, trong khi những công ty thiết kế, sản xuất
khuôn ép nhựa cịn rất ít, đội ngũ kỹ sư thiết kế có tay nghề cao, chun sâu cịn rất
thiếu. Về lĩnh vực cơng nghệ này ở Việt Nam nói chung, khu vực thành phố Hồ Chí
Minh nói riêng cịn khá mới, có rất ít trường đào tạo chun sâu về lĩnh vực này.

Hình 1.1: Các sản phẩm nhựa
Khn ép nhựa là cụm chi tiết chính để sản xuất ra các sản phẩm nhựa. Do
đó việc thiết kế, chế tạo khn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật, chính xác để tạo ra
các sản phẩm nhựa có chất lượng ln được đặt lên hàng đầu. Vấn đề đặt ra ở đây là
mặc dù có khn tốt, chất lượng, u cầu kỹ thuật đảm bảo, nhưng sản phẩm sau

khi ép vẫn xảy ra các lỗi hư hỏng, một trong những nguyên nhân là việc gia nhiệt,

1


giải nhiệt cho khn. Đây là một q trình rất phức tạp, ảnh hưởng rất nhiều đến
chất lượng sản phẩm ép và hiện đang nhận được nhiều sự quan tâm nghiên cứu.
Để giải quyết những vấn đề tồn tại này, một số nghiên cứu trong và ngoài
nước đã được tiến hành theo các hướng trình bày dưới đây.
1.1.1. Các đề tài nghiên cứu trong nước
Hiện nay, các doanh nghiệp Việt Nam, các đề tài nghiên cứu về lĩnh vực
nhựa đã có định hướng về nghiên cứu tối ưu hóa quá trình giải nhiệt cho khn
phun ép nhằm giải quyết bài tốn về chi phí sản xuất trong ngành nhựa. Trong quá
trình tìm hiểu, các doanh nghiệp Việt Nam đang trong quá trình khai thác một số
phần mềm chuyên dùng cho mơ phỏng q trình gia cơng nhựa như: C-Mold,
Moldflow, Moldex3D, … Ngồi ra, trong nghiên cứu, đã có một số đề tài tìm hiểu
và ứng dụng cơng cụ CAD – CAM – CAE được tiến hành như sau:
- Luận văn tốt nghiệp cao học của học viên LÊ MINH TRÍ (ĐH Sư Phạm Kỹ
Thuật TP HCM): “Tối ưu hóa giải nhiệt khuôn ép phun”. Luận văn này đã đề cập
đến cơ sở của việc thiết kế hệ thống giải nhiệt của khuôn ép phun dựa trên lý thuyết
truyền nhiệt, ứng dụng phương pháp này để tính tốn hệ thống giải nhiệt cho sản
phẩm là một tấm mỏng, sau đó sử dụng phần mềm Moldflow để mô phỏng, kiểm tra
kết quả. Tuy nhiên, nội dung đề tài này chưa đưa ra được phương pháp tối ưu cho
việc thiết kế hệ thống giải nhiệt, và việc tính tốn, mơ phỏng chỉ dừng lại ở một chi
tiết quá đơn giản, chưa phù hợp với yêu cầu thực tế.
- Luận văn tốt nghiệp cao học của học viên NGUYỄN VĂN THÀNH (ĐH
Bách Khoa TP HCM): “Nghiên cứu xây dựng qui trình thiết kế hệ thống làm nguội
cho khuôn ép phun nhựa theo công nghệ CAD / CAE”. Luận văn này đã đề cập đến
lý thuyết truyền nhiệt và ứng dụng nó trong khn ép phun, nhằm xác định kích
thước và phân bố hệ thống làm nguội, xây dựng được qui trình thiết kế hệ thống làm

nguội cho khuôn ép phun theo công nghệ CAD / CAE, áp dụng qui trình này cho
sản phẩm là khn vỏ bình nước nóng.
- Đề tài nghiên cứu khoa học – cơng nghệ, PGS.TS ĐỒN THỊ MINH
TRINH đã thực hiện đề tài: “Ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CAE, xác định thơng
số miệng phun, vùng dồn nén khí, kích thước kênh dẫn nhựa, hệ thống giải nhiệt

2


hợp lý cho khn ép phun nhựa” (thuộc chương trình “Nghiên cứu tự động hóa” của
thành phố), thực hiện trong thời gian 9-2003 đến 8-2004, nghiệm thu ngày 30-82004. Trong đề tài này, tác giả đã sử dụng phần mềm Moldflow nhằm tối ưu hóa hệ
thống giải nhiệt cho chi tiết vỏ bình cách nhiệt, cũng như các thơng số trong q
trình thiết kế khn như: số miệng phun, vùng dồn nén khí, kích thước kênh dẫn
nhựa. Kết quả cho thấy cơng cụ CAE (phần mềm Moldflow có khả năng hỗ trợ khá
tốt cho người thiết kế trong quá trình thiết kế khn. Tuy nhiên, trong q trình thực
hiện đề tài, tác giả vẫn cịn tập trung vào qui trình phun ép thơng dụng. Các bước hỗ
trợ q trình điền đầy nhựa vào lịng khn vẫn chưa được đề cập đến.
Tuy nhiên, đến hiện nay, với các nghiên cứu trong nước, lĩnh vực điều khiển
nhiệt độ khuôn chỉ được hiểu và thực hiện theo hướng giải nhiệt cho khuôn, với
mục tiêu quan trọng nhất là làm nguội khuôn trong thời gian ngắn nhất. Ngược lại,
q trình gia nhiệt cho khn vẫn chưa được quan tâm đúng mức. Do đó, thực trạng
của sản xuất sản phẩm nhựa tại Việt Nam chỉ dừng lại ở nhóm các sản phẩm đơn
giản, chất lượng thấp, và chủ yếu tập trung vào lĩnh vực hàng tiêu dùng.
1.1.2. Các đề tài nghiên cứu ngoài nước
Hiện nay, trong lĩnh vực khuôn phun ép nhựa, điều khiển nhiệt độ khuôn tối
ưu là một trong những cách hiệu quả nhất nhằm nâng cao chất lượng bề mặt khuôn
[1, 2]. Nhìn chung, nếu nhiệt độ bề mặt lịng khn cao, quá trình điền đầy nhựa sẽ
được dễ dàng hơn, và trong hầu hết các trường hợp, chất lượng bề mặt sản phẩm sẽ
được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ của các tấm khn tăng cao, q
trình giải nhiệt của khuôn nhựa sẽ bị kéo dài, và chu kỳ phun ép sẽ tốn nhiều thời

gian, giá thành sản phẩm cũng sẽ gia tăng. Vì vậy, mục tiêu quan trọng của q
trình điều khiển nhiệt độ khn phun ép là: gia nhiệt cho bề mặt khuôn đến nhiệt độ
yêu cầu, nhưng vẫn đảm bảo thời gian chu kỳ phun ép khơng q dài.
Nhìn chung, dựa vào ảnh hưởng nhiệt độ lên tấm khn, q trình gia nhiệt
cho khn phun ép được chia làm 2 nhóm chính: gia nhiệt cả tấm khuôn (volume
heating) và gia nhiệt cho bề mặt khuôn (surface heating). Trong nhóm thứ nhất,
phương pháp gia nhiệt bằng hơi nước (steam heating) có thể đạt được tốc độ gia

3


nhiệt từ 1oC/s đến 3oC/s [3]. Độ gia nhiệt theo phương pháp này khơng được đánh
giá cao và q trình giải nhiệt cho khn cũng sẽ gặp nhiều khó khăn.

Hình 1.2: Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng hơi nước (Steam heating)
Trong nghiên cứu khác, tốc độ gia nhiệt được cải tiến đáng kể khi phương
pháp gia nhiệt cho bề mặt khn được sử dụng. Q trình điền đầy của nhựa vào
lịng khn được cải thiện khi bề mặt khn được phủ 1 lớp cách nhiệt. Phương
pháp này có thể tăng nhiệt độ bề mặt khuôn lên khoảng 25oC [4, 5]. Sau đó, hệ
thống gia nhiệt bằng tia hồng ngoại (infrared heating), hình 1.3, được nghiên cứu và
ứng dụng cho khn phun ép nhựa [6, 7].

Hình 1.3: Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngoại
(infrared heating system)

4


Ngoài ra, nhằm đáp ứng yêu cầu gia nhiệt cho các bề mặt phức tạp, phương
pháp thổi khí nóng vào lịng khn (gas heating) đã được nghiên cứu và đánh giá [8,

9]. Với phương pháp này, nhiệt độ bề mặt khn có thể được tăng từ 60oC đến
120oC trong thời gian 2 s. Tuy nhiên, quá trình gia nhiệt này sẽ đạt tới trạng thái bảo
hòa khi thời gian gia nhiệt kéo dài hơn 4 s. Ưu điểm của phương pháp “gas heating”
là tốc độ gia nhiệt rất nhanh, và thời gian chu kỳ của sản phẩm sẽ được rút ngắn.
Tuy nhiên, thiết kế của khn phun ép (Hình 1.4) cần được thực hiện lại nhằm tích
hợp hệ thống gia nhiệt vào.

Hình 1.4: Phương pháp gia nhiệt cho khn bằng dịng khí nóng (Gas heating)
Tương tự với các phương pháp gia nhiệt bề mặt (surface heating), phương
pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ (induction heating) đã được ứng dụng nhằm hạn
chế độ cong vênh, co rút, làm mờ đường hàn (welding line), cũng như các khuyết
tật khác của sản phẩm nhựa.

Hình 1.5: Phương pháp gia nhiệt cho khn bằng cảm ứng từ (Induction heating)
Trong các nghiên cứu mới đây, phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ được
kết hợp với lưu chất giải nhiệt nhằm điều khiển nhiệt độ khuôn. Phương pháp gia nhiệt
bằng cảm ứng từ có những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp khác như:
5


- Tốc độ gia nhiệt nhanh
- Thời gian gia nhiệt có thể kéo dài đến 20s
- Có thể ứng dụng cho khn phun ép như một module đính kèm, nghĩa là
khơng cần thay đổi kết cấu khn có sẵn
- Tay máy mang bộ phận gia nhiệt cần di chuyển nhanh và chính xác.
1.2.

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Từ các phân tích trên, ta thấy hiện nay ở nước ngồi cũng như ở Việt Nam

việc gia nhiệt cho khuôn trong quá trình sản xuất chế tạo sản phẩm nhựa ln được
quan tâm nghiên cứu. Việc gia nhiệt về nguyên tắc có nhiều phương pháp nhưng
cho đến nay phương pháp tối ưu phù hợp với điều kiện sản xuất sản phẩm nhựa ở
Việt Nam vẫn chưa được chỉ ra. Nếu có được phương pháp gia nhiệt tối ưu, chất
lượng sản phẩm nhựa được nâng cao, chi phí sản xuất giảm sẽ làm tăng tính cạnh
tranh của sản phẩm nhựa Việt Nam trên thị trường trong nước và quốc tế, đặc biệt là
khu vực ASEAN. Nghiên cứu gia nhiệt cho khuôn ép bằng khí nóng trong q trình
ép là một hướng nghiên cứu nhận được sự quan tâm. Đề tài nghiên cứu chế tạo
module gia nhiệt cho khn ép nhựa bằng khí nóng phun từ ngồi khn là một
nhánh trong hướng nghiên cứu này, có ý nghĩa lớn đối với các doanh nghiệp sản
xuất sản phẩm nhựa. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ giúp các doanh nghiệp đưa ra
được quyết định về giải pháp kỹ thuật gia nhiệt cho khuôn – gia nhiệt bằng khí nóng
phun từ ngồi – sẽ mang đến các hiệu quả kỹ thuật tốt hơn các biện pháp khác đang
sử dụng.
1.3.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN

1.3.1. Ý nghĩa khoa học
-

Thông qua đề tài này, tay máy phục vụ cho hướng nghiên cứu về gia nhiệt cho
khn trước khi nhựa điền đầy lịng khn sẽ được tiến hành chế tạo. Từ đó,
các kết quả về ghi nhiệt khn sẽ được thực hiện.

-

Q trình gia nhiệt cho lịng khn bằng khí nóng cũng được kiểm chứng tính
khả thi với lịng khn có kích thước 50x100 mm và có chiều dày lần lượt
0.5mm, 1mm, 1.5mm, 2mm.

6


-

Tính hiệu quả của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng cho qui trình phun ép
cũng bước đầu được kiểm chứng thông qua các nghiên cứu kết hợp với đề tài này.

-

Đề xuất được thiết kế, kết cấu module gia nhiệt và tay máy phụ trợ cho khuôn
ép nhựa bằng khí nóng phun từ ngồi khn.

-

Khảo sát và đề xuất được chế độ ép, gia nhiệt khi vận hành khuôn để ép các sản
phẩm nhựa. Module gia nhiệt và tay máy phụ trợ có thể được sử dụng cho nghiên
cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến các sản phẩm của công nghệ ép phun.

1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn
-

Giúp cho việc điều khiển nhiệt độ khuôn trở lên dễ dàng và chính xác, sau đó
tạo ra sản phẩm theo đúng mong muốn của nhà sản xuất.

-

Giúp các doanh nghiệp có được giải pháp kỹ thuật gia nhiệt cho khuôn – gia
nhiệt bằng khí nóng phun từ ngồi.

-

Kết cấu module gia nhiệt và tay máy phụ trợ có thể được áp dụng cho các sản
phẩm ép tương tự có cùng cơng nghệ.

1.4.

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU, KHÁCH THỂ NGHIÊN CỨU, ĐỐI
TƯỢNG NGHIÊN CỨU

1.4.1. Mục đích nghiên cứu
- Mục tiêu chung:
Đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu chế tạo module gia nhiệt cho khn ép nhựa
bằng khí nóng phun từ ngồi khn
-

Mục tiêu cụ thể:
o Tìm hiểu về cơng nghệ ép phun.
o Phân tích, xác định các thơng số của module gia nhiệt, đề xuất kết cấu
liên quan
o Thiết kế và chế tạo module gia nhiệt cho khn bằng khí phun từ ngồi.
o Thực nghiệm các kết quả gia nhiệt cho lịng khn và phân tích, đánh
giá kết quả bằng mơ phỏng trên phần mềm Ansys.

1.4.2. Khách thể nghiên cứu
-

Khuôn ép nhựa.

-

Module gia nhiệt.

7


1.4.3. Đối tượng nghiên cứu
-

Sự thay đổi nhiệt độ khuôn trong q trình gia nhiệt bằng khí nóng

-

Tay máy gia nhiệt cho lịng khn bằng khí nóng.

1.5.

NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

1.5.1. Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu
-

Nghiên cứu cơng nghệ ép phun

-

Phân tích, xác định các thông số của module gia nhiệt, đề xuất kết cấu liên quan

-

Phân tích, đánh giá mơ phỏng nhiệt trên phần mềm Ansys.

-

Thiết kế và lập trình gia cơng trên mềm Creo Parametric 3.0.

-

Chế tạo và lắp ráp module gia nhiệt hoàn chỉnh.

-

Thử nghiệm thử trên máy ép nhựa SW – 120B SHINE WELL

-

Xử lý số liệu và đưa ra biểu đồ so sánh giữa mô phỏng trên phần mềm Ansys
và thực tế.
Để hoàn thành các nhiệm vụ như trên, các nội dung nghiên cứu sau sẽ

được tiến hành:

8


Nghiên cứu ảnh
hưởng của nhiệt độ
khn đến q trình
phun ép

Nghiên cứu ảnh
hưởng của thơng số
gia nhiệt đến
q trình phun ép

Nghiên cứu phương
pháp phun ép

Nghiên cứu phương
pháp mơ phỏng q
trình gia nhiệt cho
lịng khn bằng phần
mềm ANSYS CFX

Mơ phỏng các trường
hợp gia nhiệt cho lịng
khn

Nghiên cứu phương
pháp gia nhiệt bằng
khí nóng cho khn
ép nhựa

Chế tạo nguồn phun
khí nóng cho khn

Kết quả nhiệt độ tại bề
mặt khuôn

Chế tạo tay máy gia
nhiệt cho khn bằng
khí nóng

Thí nghiệm và thu
thập kết quả

So sánh, nhận xét và kết luận

Hình 1.6: Nội dung nghiên cứu
1.5.2. Giới hạn đề tài
Đề tài nghiên cứu sẽ tập trung giải quyết những vấn đề sau:
-

Nghiên cứu phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng phun từ ngồi khn.

-

Cơ cấu chuyển động chỉ theo trục Z.

9


-

Trong khuôn khổ đề tài và thời gian đề tài chủ yếu tập trung vào thiết kế, chế
tạo module gia nhiệt và tay máy phụ trợ cho khuôn ép nhựa bằng khí nóng
phun từ ngồi khn

1.6.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
-

Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
 Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: thu thập các thơng tin có
liên quan đến đề tài và tổng hợp theo từng phần cụ thể.

-

Các phương pháp nghiên cứu thực tiễn:
 Phương pháp thực nghiệm khoa học: tiến hành các thí nghiệm thực
nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng đến độ bền uốn của vật liệu nhựa.

10


CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. CÔNG NGHỆ ÉP PHUN
2.1.1. Giới thiệu công nghệ ép phun
Hiện nay, với tốc độ phát triển của khoa học kỹ thuật, cơng nghệ vật liệu
đóng vai trị quan trọng trong q trình sản xuất. Khi sản xuất các sản phẩm nhựa
theo phương pháp phun ép truyền thống (Hình 2.1), hạt nhựa sau khi được sấy khô
sẽ được đưa vào phễu chứa của máy phun ép, thơng qua q trình gia nhiệt, vật liệu
thơ sẽ đạt đến nhiệt độ nóng chảy (melt temperature) và được phun ép vào lịng
khn. Với qui trình truyền thống như trên, q trình phun ép có thể gặp một số vấn

đề như: độ nhớt của dịng nhựa tăng, gây khó khăn cho q trình điền đầy lịng
khn, độ co rút của sản phẩm lớn, … Do đó, nhằm giảm độ co rút của sản phẩm,
cũng như nâng cao khả năng điền đầy lịng khn, nhiều hướng nghiên cứu đã được
đề xuất. Trong đó, cơng nghệ vật liệu bọt nhựa (Microcellular foaming technology
of polymers) lần đầu tiên được giới thiệu bởi Martini vào năm 1982 [1].

Hình 2.1: Cơ cấu máy ép phun
2.1.2. Các phương thức trao đổi nhiệt
Quá trình trao đổi nhiệt có thể được thực hiện bằng ba phương thức cơ bản
sau đây, được phân biệt theo phương thức truyền động năng giữa các phân tử thuộc
hai vật trao đổi nhiệt.
11


2.1.2.1. Dẫn nhiệt
Trên một quy mô nhỏ, dẫn nhiệt xảy ra khi các phân tử, nguyên tử hay các
hạt nhỏ hơn (như electron) ở vùng nóng (dao động nhanh) tương tác với các hạt lân
cận (ở vùng lạnh hơn, dao động chậm hơn), chuyển giao một số động năng của dao
động nhiệt từ hạt dao động nhanh sang những hạt dao động chậm [3]. Nói cách
khác, sức nóng được trao đổi giữa các nguyên tử hay phân tử lân cận khi chúng dao
động và va chạm với nhau (trong hầu hết vật chất, trao đổi này còn được coi như sự
dịch chuyển của dòng proton), hoặc là bởi electron dao động nhanh di chuyển từ
một nguyên tử khác (trong kim loại) [3].
Dẫn nhiệt đóng góp lớn vào truyền nhiệt trong một chất rắn hoặc giữa các
vật thể rắn khi chúng tiếp xúc nhau. Trong chất rắn, sự dẫn nhiệt xảy ra mạnh vì
mạng lưới các nguyên tử nằm ở vị trí tương đối cố định và gần nhau, giúp việc trao
đổi năng lượng giữa chúng thông qua dao động được dễ dàng.
Khi mật độ các hạt giảm, tức là khoảng cách giữa các hạt trở nên xa hơn, dẫn
nhiệt giảm theo. Điều này là do khoảng cách lớn giữa các ngun tử gây ra việc có
ít va chạm giữa các ngun tử, có nghĩa là chúng ít trao đổi nhiệt hơn. Do đó, chất

lỏng và đặc biệt là các loại khí ít dẫn nhiệt. Với các chất khí, khi nhiệt độ hay áp
suất tăng, các nguyên tử có xác suất va chạm nhau nhiều hơn, và do đó độ dẫn nhiệt
cũng tăng theo [3].
Tính chất dẫn nhiệt trong lịng vật liệu có thể khác với tính dẫn nhiệt ở bề
mặt, nơi có thể tiếp xúc với vật liệu khác.
Kim loại (ví dụ như đồng, platinum, vàng,...) thường là các vật liệu dẫn nhiệt
tốt. Điều này là do các điện tử tự do có thể chuyển nhiệt năng nhanh chóng trong
lịng kim loại. Các "chất lỏng điện tử" của một vật kim loại rắn tiến hành gần như
tất cả các dòng nhiệt qua vật rắn này. Proton mang ít hơn 1% năng lượng nhiệt.
Điện tử cũng chuyên chở dòng điện chạy qua các chất rắn dẫn điện, dẫn đến độ dẫn
nhiệt và độ dẫn điện của hầu hết các kim loại có cùng một tỷ lệ. Một dây dẫn điện
tốt, chẳng hạn như đồng, thông thường cũng dẫn nhiệt tốt. Các hiệu ứng PeltierSeebeck (hiệu ứng nhiệt điện) có nguồn gốc từ sự dẫn nhiệt của điện tử trong các
chất dẫn điện.

12


Dẫn nhiệt trong một vật rắn tương tự như khuếch tán của các hạt trong chất
lỏng, khi khơng có dịng chảy chất lỏng.

Hình 2.2: Nguyên lý dẫn nhiệt. [3]
Để xác định quá trình dẫn nhiệt người ta sử dụng định luật Fourrier. Khi
nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt trong vật thể, Fourrier đã phát hiện một lượng nhiệt
dQ truyền qua một bề mặt dF trong thời gian d 𝜏 sẽ tỷ lệ thuận với gradient
nhiệt độ, với thời gian và diện tích bề mặt.
(bỏ qua chiều, chỉ tính độ lớn)

𝑑𝑄 = 𝜆. 𝑑𝑡 𝑑𝐹 . 𝑑𝜏
𝑑𝑛
Nếu quá trình là ổn định:

𝑄 = 𝜆.

𝑑𝑡
𝐹. 𝜏
𝑑𝑛

Q: nhiệt lượng
𝜆: hệ số dẫn nhiệt (hệ số tỷ lệ, độ dẫn nhiệt)
F: bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt (m2)
τ: thời gian (s)
2.1.2.2. Trao đổi nhiệt đối lưu
2.1.2.2.1. Quá trình đối lưu
Quá trình đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt giữa các khối chất khí hoặc chất
lỏng với nhau. Q trình ln gắn liền với sự dịch chuyển của khối chất lỏng, chất
khí từ vùng có nhiệt độ này đến vùng khác [3].

13


Hình 2.3: Tỏa nhiệt đối lưu giữa bề mặt vật rắn và khí. [3]
2.1.2.2.2. Tỏa nhiệt
Tỏa nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn với dịng
chất lỏng hoặc chất khí chuyển động trên bề mặt đó [3]. Tỏa nhiệt đối lưu được
phân loại như sau:
 Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên: Chất lỏng, chất khí chuyển động khơng do
tác dụng của lực bên ngồi. Môi trường chuyển động do lực này tự phát sinh
được gây ra bởi sự chênh lệch mật độ phân tử giữa các vùng có nhiệt độ khác
nhau (Hình 2.4a).
 Tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức: Môi trường chuyển động nhờ ngoại lực từ
bên ngoài tác động vào như bơm, quạt, máy nén… (Hình 2.4b).

a. Truyền nhiệt đối lưu tự nhiên

b. Truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức

Hình 2.4: Các dạng Truyền nhiệt đối lưu
Các nhân tố ảnh hưởng tới quá trình tỏa nhiệt đối lưu:
+ Tốc độ chuyển động của khối chất lỏng, chất khí.
+ Bản chất vật lý của chất lỏng, chất khí (𝜏, Cp, Cv ....)
+ Cường độ và sự phân bố trường nhiệt độ
+ Hình dáng, kích thước và vị trí của vách.

14


Q trình truyền nhiệt đối lưu thường được tính tốn với Định luật Newton –
Rickmman
Một nhiệt lượng dQ do một bề mặt dF của vật thể có nhiệt độ tT cấp cho
mơi trường xung quanh có nhiệt độ tL (hoặc ngược lại) trong khoảng thời gian d 𝜏
thì tỷ lệ với hiệu số nhiệt độ giữa vật thể và môi trường [3].
dQ = α (tT – tL). dF.dτ
tT: nhiệt độ của vật thể (0C)
tL: nhiệt độ của lưu chất (chất lỏng hoặc khí) (0C)
α: hệ số cấp nhiệt (hệ số tỷ lệ)
dF: diện tích (m2)
dτ: thời gian (s)
2.1.2.3. Trao đổi nhiệt bức xạ
Tất cả các vật thể có nhiệt độ cao hơn 00K thì đều có phát ra những tia năng
lượng dưới dạng những tia bức xạ lan truyền ra không gian xung quanh vật thể.
Như thế chứng tỏ năng lượng đã biến thành tia bức xạ. Nếu vật thể có nhiệt độ

càng cao thì lượng nhiệt truyền đi dưới dạng năng lượng càng lớn. Nhưng ở nhiệt
độ thấp thì bức xạ vơ cùng nhỏ (khơng có ý nghĩa trong kỹ thuật), chỉ có ở
khoảng nhiệt độ lớn 100 0C, 200 0C trở lên thì bức xạ hồng ngoại mới có ý nghĩa
đáng kể [3].
Đặc điểm của bức xạ nhiệt là ln ln gắn liền với việc chuyển hóa năng
lượng từ dạng này sang dạng khác. Khi bức xạ, nhiệt năng (nội năng) của vật
biến thành năng lượng của các dao động điện từ truyền đi trong không gian, khi
gặp các vật khác, một phần (hoặc toàn bộ) năng lượng đó bị vật hấp thu và lại
biến thành nhiệt năng. Mức độ hấp thu phụ thuộc vào độ đen của vật. Năng lượng
hấp thu này một phần lại được phát trở lại dưới dạng năng lượng sóng điện từ và
quá trình cứ thế tiếp tục mãi. Như vậy, 1 vật không chỉ luôn luôn phát đi năng
lượng bức xạ mà đồng thời nhận năng lượng bức xạ từ các vật khác đến nó [3].

15


Hình 2.5: Truyền nhiệt bức xạ. [3]
Về bản chất vật lý thì bức xạ nhiệt cũng giống như bức xạ ánh sáng,
cũng tuân theo các định luật phản xạ, khúc xạ và hấp thu, cũng truyền theo 1 đường
thẳng, cũng xun qua hồn tồn khoảng chân khơng với tốc độ không đổi là
3.1010 cm/s. Nhưng giữa chúng chỉ khác nhau về bước sóng [3]. Tuỳ theo chiều dài
của bước sóng mà người ta phân ra:
Bảng 2.1: Chiều dài bức xạ
Dạng bức xạ

Chiều dài bức xạ

Tia vũ trụ

0,05.10-6µm

Tia Gama

0,5.10-6-1.10-6µm

Tia Rơnghen

1.106 - 20.10-3µm

Tia tử ngoại

20.10-3 - 0,4µm

Tia sáng (nhìn được bằng mắt thường)

0,4 - 0,8µm

Tia hồng ngoại (khơng nhìn được bằng

0,8 - 40µm

mắt thường)
Sóng vơ tuyến điện

0,2mm - X km

Trao đổi nhiệt bức xạ đóng vai trị rất quan trọng trong q trình truyền
nhiệt của nhiều thiết bị: lị hơi, ...
* Lưu ý:
 Khơng chỉ có vật nóng truyền năng lượng cho vật lạnh mà quá trình

ngược lại vẫn xảy ra. Số năng lượng nhận được bằng hiệu số giữa năng lượng
nhận và năng lượng mất đi. Kết quả của việc trao đổi năng lượng vẫn tuân theo

16