Tổng quan về công nghệ ép phun gas injecsion

Chương 2: Gas injection

11
Chương 2
Gas injection
2.1 Khái niệm
Gas injection là kỹ thuật ép phun đặc biệt, ứng dụng khí để tạo kết cấu rỗng trong
quá trình tạo sản phẩm nhựa. Khí được phun vào chi tiết nhờ một hệ thống dẫn khí
riêng biệt. khí sử dụng thường dùng là khí nitrogen. Trong những điều kiện đặc biệt có
thể dùng chất lỏng để tạo phần rỗng cho chi tiết.
2.2 Tổng quan
2.2.1 Tổng quan về công nghệ ép phun
a. Công nghệ ép phun là gì ?
Một cách đơn giản nhất. công nghệ ép phun là quá trình phun nhựa nóng chảy
điền đầy lòng khuôn. Một khi nhựa được làm nguội và đông cũng lại trong lòng
khuôn thì khuôn được mở ra và sản phẩm được đẩy ra khỏi khuôn nhờ hệ thống đẩy.
Trong quá trình này không có bất kỳ một phản ứng hóa học nào.
b. Nhu cầu và hiệu quả kinh tế của công nghệ ép phun
Sản phẩm nhựa ngày nay là vô cùng phong phú và đa dạng, từ các sản phẩm đơn
giản như dụng cụ học tập như: thước, viết, compa hay đồ chơi trẻ em tới những sản
phẩm phức tạp như: bàn, ghế,vỏ tivi, vi tính hay các chi tiết dùng trong ô tô và xe
máy… chứng tỏ sự thân thiện và cần thiết của công nghệ ép phun trong ngành công
nghiệp nhựa của chúng ta.

Hình 2.1 Mặt đồng
hồ xe máy
Hình 2.2 Khay
cơm
Hình 2.3 Ghế
nhựa
Chương 2: Gas injection

12



Với các tính chất như: độ dẻo, nhẹ, có thể tái chế… vật liệu nhựa đã thay thế các
loại vật liệu khác như: sắt, đồng, nhôm, gang… đang ngày càng cạn kiệt trong tự
nhiên. Vì vậy trong tương lai, khả năng thay thế của nhựa đồi với các vật dụng kim
loại là rất lớn và ngành nhựa có tiểm năng phát triển rất cao.
Những ưu điểm của khuôn ép phun:
• Tạo ra sản phẩm có hình dáng phực tạp tùy ý.
• Hình dáng giãu hai mặt có thể khác nhau.
• Khả năng tự động hóa và chi tiết có tính lặp lại cao.
• Sản phẩm sau khi ép có màu sắc phong phú và độ nhẵn bóng bề mặt cao nên
không cần gia công lại
• Phù hợp cho sản xuất hàng khối và đơn chiếc
2.2.2 Quá trình ép phun
Quá trình ép phun là quà trình quan trọng nhất trong việc tạo các sản phẩm chất
dẻo.
Tương tự như quá trình đùn, xy lanh được gia nhiệt trước tiên. Sau đó, các hạt
nhựa được cấp vào vào xy lanh và cũng được gia nhiệt. Quá trình chuyển động của
xylanh ép các hạt nhựa nóng chảy vào bộ phận chứa, để tạo nên áp suất phun cao. Khi
áp suất phun đạt từ 70 Mpa – 200 Mpa, quá trình phun chất dẻo đã nóng chảy từ bộ
phận chứa vào khuôn. Khuôn được mở ra sau thời gian làm nguội nhất định, và sản
phẩm được lấy ra sau khi khuôn được mở.
Hình 2.4 Hộp
cắm bút
Hình 2.5 Dao cắt
giấy
Chương 2: Gas injection

13
2.2.3 Quy trình thiết kế khuôn

Hình 2.6 Sơ đồ quá trình thiết kế khuôn
2.2.4 Sơ đồ máy ép phun
2.2.4.1 Cấu tạo chung
Một máy ép phun cơ bản bao gồm các hệ thống sau :
• Hệ thống kẹp ( cụm kẹp ).
• Hệ thống khuôn ( cụm khuôn ).
• Hệ thống phun ( cụm phun ).
• Hệ thống hỗ trợ ép phun ( cụm ép phun )
Chương 2: Gas injection

14

Hình 2.7 Máy ép phun
a. Hệ thống kẹp
Hệ thống kẹp có chức năng đóng, mở khuôn, tạo lực kẹp giữ khuôn trong
quá trình làm nguội và đẩy sản phẩm thoát khỏi khuôn khi kết thúc một chu kỳ
ép phun.
Hệ thống này bao gồm các bộ phận :
• Cụm đẩy của máy ( Machine ejectors ) : gồm xylanh thủy lực, tấm đẩy
và cần đẩy. Chúng có chức năng tạo ra lực đẩy tác động vào tấm đẩy trên khuôn
để đẩy sản phẩm rời khỏi khuôn .

Hình 2.8 Cụm đẩy
Chương 2: Gas injection

15

• Cụm kỉm ( Clamp cylinders ) : có hai loại chính là loại dung cơ cấu
khuỷu vả loại dùng xylanh thủy lực. Chức năng chính là cung cấp lực để đóng
mở khuôn và lực để giữ khuôn đóng trong suốt quá trình phun.

a. Khuôn đóng

b. Khuôn mở
Hình 2.9 Cụm kìm dùng cơ cấu khuỷu

a. Khuôn đóng

Chương 2: Gas injection

16
b. Khuôn mở
Hình 2.10 Cụm kìm dùng xylanh thủy lực
• Tấm di động ( Moveble platen ).

Hình 2.11 Tấm đi động và vị trí của nó trên máy
• Tấm cố định ( Stationary platen ).

Hình 2.12 Tấm cố định và vị trí của nó trên máy
Chương 2: Gas injection

17
• Thanh nối ( Tie bars ).

Hình 2.13 Vị trí thanh nối trên máy
• Dưới đây là cấu tạo chung của hệ thống kẹp.

Hình 2.14 Hệ thống kẹp
b. Hệ thống khuôn
Cấu tạo chung của một bộ khuôn gồm các thành phần sau đây :
Chương 2: Gas injection

18

Hình 2.15Cấu tạo một bộ khuôn cơ bản
Các chức năng chính :
• Vít lục giác : liên kết các tấm khuôn và tạo tính thẩm mỹ.
• Vòng định vị : định tâm giữa bạc cuống phun và vòi phun.
• Bạc cuống phun : dẫn nhựa từ máy ép phun vào các kênh dẫn nhựa
• Khuôn cái : tạo hình cho dản phẩm.
• Bạc định vị : đảm bảo vị trí tương quan giữa khuôn đực và khuôn cái.
• Tấm kẹp trước : giữ chặt phần cố định của khuôn vào máy ép.
• Vỏ khuôn cái và vỏ khuôn đực : thưởng được làm bằng vật liệu rẻ tiền
hơn so với khuôn cái nhằm đảm bảo tính kinh tế mà vẫn đảm bảo yếu tố kỹ
thuật.
• Chốt hồi : hồi hệ thống đẩy về vị trí ban đầu khi khuôn đóng
• Khuôn đực : tạo hình cho sản phẩm.
Chương 2: Gas injection

19
• Chốt định vị : dẫn hướng và định vị khi khuôn đóng
• Tấm đỡ : tăng bền cho khuôn trong quá trình làm việc.
• Gối đỡ : tạo khoảng trống để tấm đẩy hoạt động.
• Tấm giữ : giữ các chốt đẩy.
• Tấm đẩy : đẩy các chốt đẩy đề lói sản phẩm rời khỏi khuôn.
• Tấm kẹp sau : giữ cố định bộ đi động của khuôn trên máy ép nhựa.
• Gối đỡ phụ : tăng bền cho khuôn trong quá trình ép phun.

c. Hệ thống phun :
Hệ thống phun có nhiệm vụ đưa nhựa vào khuôn thong qua các quá trình :
cấp nhựa, nén, khử khí, làm chảy dẻo nhựa, phun nhựa lỏng và định hình sản
phẩm.

Hình 2.16 Hệ thống phun
Hệ thống này gồm các bộ phận :
• Phễu cấp liệu ( Hopper ).
• Khoang chứa liệu ( Barrel ).
Chương 2: Gas injection

20
• Các băng gia nhiệt ( Heater band ) : gia nhiệt và duy trì nhiệt độ cho
nhựa dẻo.

Hình 2.17. Băng gia nhiệt
• Trục vít ( Screw ) : có chức năng nén, làm chảy nhựa dẻo và tạo áp lực
để đẩy nhựa dẻo vào khuôn

Hình 2.18 cấu tạo trục vít
• Bộ hồi tự hở ( Non-return Assembly ).
• Vòi phun ( Nozzle ).
d. Hệ thống hỗ trợ ép phun
Là hệ thống giúp vận hành máy ép phun. Hệ thống này bao gồm :
Chương 2: Gas injection

21

Hình 2.19 Hệ thống hỗ trợ ép phun
• Thân máy : làm giá đỡ liên kết các chi tiết trên máy với nhau.

• Hệ thống thủy lực : cung cấp lực đóng mở khuôn, duy trì lực kẹp…

Hình 2.20 hệ thống thủy lực
• Hệ thống điện : cung cấp nguồn điện cho hệ thống
Chương 2: Gas injection

22

Hình 2.21 Hệ thống điện
• Hệ thống làm nguội: cung cấp nước hay dung dịch lảm nguội để làm mát
khuôn hay làm nguội chi tiết…

Hình 2.22 Hệ thống làm nguội
2.2.4.2 Chu kỳ ép phun
Chương 2: Gas injection

23

Hình 2.23 Biểu đồ áp suất khí phun
2.3 Tổng quan về Gas assist injection molding
a. Lịch sử hình thành
Kỹ thuật nghiên cứu tạo các chi tiết nhựa rỗng đã được nghiên cứu từ nhiều
năm về trước. Năm 1944, Opavsky đã phát minh ra kỹ thuật phun khí hoặc chất
lỏng vào trong nhựa. Kỹ thuật này dùng một kim phun đặc biệt để phun khí.
Tuy nhiên, kỹ thuật này ban đầu không thành công do áp suất phun quá cao. Ép
phun có sự hỗ trợ của khí ( Gas assist injection molding ), như chúng ta biết
ngày nay đã được phát triển từ đầu giữa những năm 1970. Có 2 dòng phát triển
kỹ thuật này bao gồm : một dòng được nghiên cứu và phát triển bởi Freiderich
at Rohm, người Đức. Ông phát minh kỹ thuật này vào năm 1976. Một kỹ thuật
khác xuất phát từ quá trình tạo lỗ khí trong ngành kỹ thuật khuôn mẫu.

Kỹ thuật nghiên cứu của Freiderich là quá trình nghiên cứu tạo ra biên dạng
rỗng bên trong sản phẩm bằng cách sử dụng một quá trình ép phun đặc biệt.
Trước đấy, có 2 cách tạo kết cấu rỗng đã tồn tại. Một là kỹ thuật tạo liên kết từ
2 nửa chi tiết để tạo nên sản phẩm bằng kỹ thuật phun ép. Quá trình hàn có thể
tạo nên liên kết hoặc tạo ra đường hàn. Hai là kỹ thuật sử dụng phương pháp
đùn, bao gồm kỹ thuật ép thổi hoặc đùn thổi. Trong kỹ thuật thổi, một phôi mẫu
“ Preform ” được tạo trong khuôn. Phôi mẫu được đặt trong một lõi rỗng, được
gia nhiệt tới một nhiệt độ thích hợp sau đó khí được phun vào tạo nên biên dạng
như mong muốn của chi tiết.
Chương 2: Gas injection

24
Chương trình này cũng có những hạn chế nhất định. Nếu kết cấu không đối
xứng, khuôn riêng lẻ, phải tiến hành gia công từng kết cấu riêng. Sự liên kết
trong kết cấu của khuôn ép phun đòi hỏi phải kẹp chặt để đảm bảo cố định tại
những vị trí xác định cho tới khi sự kết dính hoàn tất. Quá trình hàn cũng yêu
cầu những dụng cụ đặc biệt giống như sóng siêu âm hoặc dao động để tạo sự
kết dính.
Phát minh của Friederich ( bằng sáng chế cuả Đức, 2501314, 1975 ) bao
gồm những ý tưởng sau :
Một hệ thống tạo biên dạng rỗng trong chi tiết từ nhựa nhiệt dẻo bằng
khuôn ép phun, cung cấp một lượng nhựa lỏng vừa đủ để chuẩn bị cho quá trình
tạo kết cấu rỗng từ một cổng phun nhựa tới khuôn qua một lỗ phun vào khuôn,
khí phun với áp suất thấp qua một cổng phun khí và kênh dẫn, phân bố nhựa
dẻo lên bề mặt trong của khuôn. Kết cấu rỗng của sản phẩm được tạo khi cổng
phun khí mở ra. Khi kết cấu chi tiết nguội dần và được định hỉnh, một phần khí
torng kết cấu rỗng mở ra để tạo sự cân bằng với áp suất môi trường khi chi tiết
mềm lại. Và cuối củng khuôn mở ra để lấy chi tiết. Bằng phát minh của
Freiderich được công nhận bằng phát minh của Mỹ, ngày 18, tháng 7, năm
1978, số hiệu 4,101,617.

Hình 2.24 UnitedStatesPatent4,101,617(issuedJuly18,1978)
Hướng nghiên cứu thứ hai khi tạo kết cấu rỗng được phát triển ở Union
Carbide. Một trong những yếu tố cơ bản ảnh hưởng tới kỹ thuật này là không
đạt tính thẩm mỹ trên bề mặt sản phẩm do có những lỗ khí trên bề mặt sản
phẩm. Olabisi đã tiếp tục nghiên cứu và phát riển kỹ thuật này sau những năm
1970.
Chương 2: Gas injection

25
Đầu những năm 1980, Hunerberg ở Hoover Universal đã nhận thấy những
tiềm năng của ứng dụng này và cùng hợp tác với Olabisi tiếp tục nghiên cứu
như một chương trình hợp tác, kéo dài suốt những năm 1980 và tới đầu năm
1990. Sau đó nhiều năm, những lợi ích của kỹ thuật Gas assist injection
molding ngày càng phát triển.
Quá trình nghiên cứu tạo kết cấu rỗng trong chi tiết đã được thế giờ nghiên
cứu từ những năm 1980. Không chỉ ở Đức mà cả ở Mỹ cũng đã có những
hướng phát triển kỹ thuật này. Hai công ty lớn của Mỹ đã hợp tác như Hoover
Universal là KMMCO ở United States và Peerless Foam Molders ở United
Kingdom đã đạt được những thành công trong việc nghiên cứu vả phát triển các
kết cấu rỗng khá phức tạp mà vẫn ổn định được chất lượng bề mặt sản phẩm.
Một số tên tuổi nổi tiếng trong lĩnh vực nghiên cứu này như Jim Hendry,
Inder Baxi, Eric Erikson, and Steve Jordan đã cùng nahu làm việc từ lâu. Nổi
bật nhất là Jim Hendry, người đã nghiên cứu kỹ thuật này tại KMMCO với Baxi
và Erikson đầu những năm 1980. Sau đó ông đã bắt đầu tư vấn cho Peerless ở
United Kingdom, và hợp tác lam việc với Steven Jordan ở đấy. Hendry tiếp tục
làm việc với Baxi ở Sajar vào giữa những năm 1980, và tiếp tục nghiên cứu tiếp
về “ Gas assist injection molding ”.
Peerless đã phát minh ra Cinpres I ( Controlled Internal Pressure Molding )
vào năm 1983, và năm 1984 bắt đầu ứng dụng trong sản xuất. Mike Ladney,

chủ tịch của Detroit Plastic Molding ( DPM ) đã chú ý tới kỹ thuật này khi kỹ
thuật “Cinpres” của Peerless được chứng minh được suốt hội chợ quốc tế Messe
Kunststoff und Kautschuk in Dusseldorf, Germany, năm 1986. Tới năm 1987,
Ladney đã mua bằng phát mih của Freiderich và sử dụng trên toàn châu Âu.
Ngay lúc này, Hendry cũng đã làm việc cho DPM để phát triển hơn nữa kỹ
thuật “Gas assist injection molding” , và tạo ra kỹ thuật GAIM ( Gas assist
injection molding ).
Ngày nay các công ty trên toàn thế giới đều ứng dụng kỹ thuật này trong
ngành sản xuất khuôn mẫu và thu được những giá trị rất to lớn. Kéo theo đó là
sự ra đời của các công ty chế tạo máy móc chuyên dùng trong lĩnh vực này như
: Battenfeld, Ferromatik, Stork, Engel, và Johnson Controls. Các công ty này
cũng đã tập trung phát triển những ứng dụng khác của kỹ thuật này.
b. Tổng quan
Chương 2: Gas injection

26
Trong ngành sản xuất sản phẩm nhựa, Gas injection là một kỹ thuật tương
đối mới, mang lại rất nhiều kinh nghiệm và có đà phát triền rất nhanh chóng.
Đôi khi nó cũng có những khuyết điểm đòi hỏi phải được khắc phục một cách
nhanh chóng cho những lỗi do quá trình này gây ra. Mặc dù nó là một ngành
riêng biệt trong kỹ thuật phun ép, tuy nhiên đôi khi nó cũng gây ra sự lẫn lộn
với kỹ thuật thổi. Bởi vì cả hai kỹ thuật trên đều tạo nên chi tiết có kết cấu rỗng.
Điều khác nahu cơ bản là tiết diện rỗng mà hai kỹ thuật tạo nên. Chi tiết của kỹ
thuật GAIM có bề dày lớn hơn ( một cách tương đối ) so với độ lớn của phần lõi
rỗng. Thông thường chi tiết của GAIM thường bé hơn 10% khối lượng so với
phần tiết diện rỗng. Mặt khác, trong khuôn thổi kết quả có thể lên tới 80% hoặc
hơn nữa. Tức là bề dày chi tiết trong khuôn thổi thường rất bé.
GAIM bao gồm 2 quá trình:
¾ Đầu tiên là quá trình phun nhựa đã được hóa dẻo vào khuôn
¾ Tiếp đó là khí được đưa vào bên trong lớp vật liệu nhựa đã được hóa dẻo

đó. Khí đưa vào sẽ di chuyển tới những nơi có sức bền nhỏ nhất với áp
suất thấp và nhiệt độ cao. Khi dòng khí di chuyển trong chi tiết, nó sẽ tạo
lõi bằng cách thay thế chỗ vật liệu nhựa dẻo vừa đi qua.


Hình 2.25 Biểu diễn quá trình đùn vật liệu vào khuôn


Hình 2.26 Biểu diễn quá trình phun khí vào chi tiết

Chương 2: Gas injection

27

Hình 2.27 Biểu diễn sự điền đầy của vật liệu

Hình 2.28 Biểu diễn sự phụ thuộc giữa tiết diện dòng khí và chiều dài
di chuyển của nó.
Hai nguyên lý cơ bản của GAIM khi điều khiển khí là: thể tích không đổi
và áp suất không đổi. Để tạo thể tích không đổi, người ta sử dụng một xylanh
được cài đặt trước một áp suất để chuẩn bị cho quá trình phun khí. Piston đẩy
khí ra khỏi xylanh vào chi tiết. Áp suất trong chi tiết phụ thuộc vào tỉ lệ giữa thể
tích của chi tiết với thể tích của xylanh. Áp suất khí, thời gian, và tốc độ piston
sẽ quyết định biên dạng dòng khí. Sau mỗi chu kỳ, áp suất phải được cài dặt lại
trước khi tiến hành phun tiếp.
Hệ thống tạo áp suất khí không đổi, đặc trưng là dùng một máy nén khí để
nén khí Nito với một áp suất cố định ban đầu. Bình chứa này cung cấp một áp
suất khí không đổi tới hệ thống các van. Biên dạng khí đạt được bằng cách điều
chỉnh áp suất khí tới van và mở các van này.

Chương 2: Gas injection

28

Hình 2.29 Biểu diễn quan hệ giữa thể tích khí không đổi với biên dạng
khí


Hình 2.30 Biểu diễn sự duy trì của áp suất khí trong suốt quá trình
phun
Chương 2: Gas injection

29

Hình 2.31 Biểu diễn một cổng phun khí
Có hai phương án cơ bản để điều khiển khí trong khuôn. Điểm khác
biệt giữa hai phương pháp này là cách thiết đặt hệ thống của chúng trong
khuôn. Khí có thể được phun qua cổng hay là trực tiếp vào lòng khuôn,
hoặc khí có thể phun qua kênh dẫn hay là trực tiếp vào chi tiết.

Hình 2.32 Biểu diễn vị trí phun khí tại một điểm đặc biệt

Hình 2.33 Biểu diễn vị trí phun khí thông qua cổng phun ( Nozzle )
Khi phun khí trực tiếp vào khuôn, hệ thống cổng phun khí phải được
thiết kế riêng biệt, việc lắp đặt các bạc dẫn hướng phải được lưu ý trước
tiên cho quá trình phun khí.

Chương 2: Gas injection

30

Hình 2.34 Biểu diễn quá trình phun khí trực tiếp vào khuôn thông
qua cổng phun
a. Quá trình phun nhựa vào khuôn
b. Quá trình phun khí váo khuôn
c. Quá trình di chuyển của khí trong chi tiết
d. Quá trình khí điền đầy vật liệu trong lòng khuôn

Khi nhựa nguội đi, một cổng rút khí cho phép khí được rút ra ngoài






a

b
c d
Chương 2: Gas injection

31

Hình 2.35 Biểu diễn khí vào và khí ra trong khuôn
c. Đối với khuôn nhiều miệng phun.
Trong các bộ khuôn nhiều tấm hay những khuôn đòi hỏi nhiều miệng
phun do
chi tiết lớn thì cũng tượng tự như trong các kỹ thuật khuôn rỗng khác.
Việc điền đầy chi tiết lớn với nhiều cổng phun sẽ cho phép giảm chiều dài dòng
chảy, giảm áp suất phun và áp suất trong khuôn. Hệ thống miệng phun trong
trường hợp khuôn nhiều tấm có thể bố trí trên cùng một tấm, hoặc trên mỗi tấm
khuôn có thể bố trí một hoặc nhiểu cổng riêng lẻ tùy theo yêu cầu về kích thước
và chiều dài kênh dẫn.

Hinh 2.36 Biểu diễn khuôn sử dụng nhiều miệng phun
Chương 2: Gas injection

32

Hình 2.37 Quá trình khí vào và ra trong hệ thống nhiều miệng phun

Trong các khuôn nhiều tấm với hình dạng và khối lượng chi tiết khác nhau
thì trong cùng một chu kỳ phun sẽ rất khó khi sử dụng một cổng phun để có thể
kiểm soát sự mất cân bằng dòng chảy và quá trình điền đầy chi tiết.
d. Đặc điểm của Gas injection
• Ưu điểm :
¾ Giảm khối lương chi tiết mà vẫn đảm bảo độ bền

¾ Giảm sự cong vênh, co ngót so với những chi tiết đặc cùng loại
¾ Thiết kế khe hở lớn hơn
¾ Tăng tính đa dạng của sản phẩm
¾ Cải tiến chất lượng bề mặt
¾ Dễ điền đầy chi tiết hơn, kênh dẫn dài hơn, độ bền chi tiết cao hơn
¾ Giảm thời gian lên khuôn so với chi tiết đặc cùng loại do mất thời
gian làm nguội.
Chương 2: Gas injection

33
¾ Giảm lực kẹp khuôn, giảm áp suất hun
¾ Giảm giá thành gia công khi thay thế các hệ thống kênh dẫn nóng
bằng hệ thống gas injection
• Nhược điểm :
¾ Chi phí ban đầu hơi cao
¾ Cấu tạo của cụm phun phức tạp hơn ( trường hợp miệng phun nhựa
với miệng phun khí chung nhau )
2.4 Các sản phẩm ứng dụng kỹ thuật Gas injection.
Sản phẩm ứng dụng Gas injection chủ yếu là các sản phẩm dòi hỏi độ bóng
bề mặt tương đối cao, tính thẩm mĩ, chủ yếu ở các sản phẩm có tính cao cấp.
a. Đồ gia dụng




Chương 2: Gas injection

34

Hình 2.38 Các sản phẩm đồ gia dụng

b. Sản phẩm cao cấp



Hình 2.39 Các sản phẩm đồ cao cấp
c. Đồ chơi
Chương 2: Gas injection

35



Hình 2.40 Các sản phẩm đồ chơi