Hạn chế độ cong vênh của sản phẩm nhựa polypropylene dạng tấm bằng phương pháp điều chỉnh nhiệt độ

NGHIEÂN CÖÙU - TRAO ĐỔI

HẠN CHẾ ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM NHỰA POLYPROPYLENE
DẠNG TẤM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ

REDUCTION OF THE WARPAGE FOR POLYPROPYLENE PLATE
BY MELT TEMPERATURE CONTROL

Phạm Sơn Minh, Thanh Trung Do, Lê Võ
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh

TÓM TẮT

Trong nghiên cứu này, quá trình phun ép các tấm nhựa polypropylene đã được tiến hành mô
phỏng và thí nghiệm với sự thay đổi nhiệt độ nhựa từ 200 oC đến 280 oC. Ảnh hưởng của nhiệt độ nhựa
đến độ cong vênh của sản phẩm nhựa dạng tấm cũng được xem xét với chiều dày tấm thay đổi từ 1.0 mm
đến 2.5 mm. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng nhiệt độ nhựa từ 200 oC lên 280 oC, độ cong vênh của
sản phẩm nhựa dạng tấm giảm đáng kể. Với sản phẩm có chiều dày càng mỏng, hiện tượng cong vênh và
co rút được hạn chế càng nhiều. Nghiên cứu này cũng cho thấy kết quả thí nghiệm và kết quả mô phỏng
tương đồng với nhau.
Từ khóa: Khuôn phun ép nhựa, nhiệt độ nhựa, độ cong vênh, chiều dày tấm.



ABSTRACT

In this research, the injection molding process of polypropylene plate is simulated and experimented
as a function of melt temperature from 200 oC to 280 oC. The effect of melt temperature on the warpage of
plate is examined with several plate thicknesses of 1.0 mm, 1.5 mm, 2.0 mm and 2.5 mm. The result shows
that when the melt temperature increases from 200 oC to 280 oC, the plate warpage significantly reduces for
all types of plate thickness. Also, the reductions of plate warpage and shrinkage are larger when the plate

is thinner. In addition, the results of simulation and experiment have a good agreement.
Keywords: Injection molding, melt temperature, plate warpage, plate thickness.


50

TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số 7 năm 2014
www.cokhivietnam.vn


NGHIEÂN CÖÙU - TRAO ĐỔI
1. GIỚI THIỆU CHUNG

trình làm việc [12-14].


Hiện nay, trong lĩnh vực gia công các sản
phẩm nhựa, phương pháp phun ép là một trong
những phương pháp phổ biến và hiệu quả nhất.
Trong quy trình này, vật liệu nhựa từ dạng hạt sẽ
được gia nhiệt đến trạng thái dẻo và nóng chảy
thành dạng lỏng ở nhiệt độ thông dụng từ 150 oC
đến 300 oC. Sau đó, nhựa nóng chảy sẽ được ép
vào lòng khuôn thông qua cổng phun. Trong các
thông số phun ép, giá trị nhiệt độ nhựa nóng chảy
được gọi đơn giản là nhiệt độ nhựa (Melt temperature). Sau khi nhựa đã điền đầy lòng khuôn,
quá trình giải nhiệt cho khuôn và sản phẩm sẽ
tiếp tục diễn ra. Khi nhiệt độ nhựa giảm đến giá
trị nhiệt độ mở khuôn, hai lòng khuôn sẽ mở ra,
sản phẩm được lấy ra ngoài và chu kỳ phun ép sẽ

bắt đầu cho sản phẩm mới.


Độ co rút và cong vênh của sản phẩm
nhựa phụ thuộc rất nhiều vào thông số phun ép
như nhiệt độ khuôn (Mold temperature), áp suất
phun (Filling pressure) và thời gian phun (Filling
time). Nếu các thông số phun ép được chọn hợp
lý, hiện tượng cong vênh sẽ được hạn chế và thỏa
mãn các yêu cầu của khách hàng. Hiện nay, có
nhiều phương pháp nhằm can thiệp vào quá trình
cong vênh của sản phẩm như: Hạ nhiệt độ khuôn,
tăng áp suất phun, tăng thời gian định hình…
[6- 9]. Và thông dụng nhất hiện nay, các thông số
phun ép thường được kết hợp theo các phương
pháp tối ưu hóa nhằm tìm ra bộ thông số hợp lý
nhất [10]. Đến nay, đã có nhiều nghiên cứu về vấn
đề cong vênh của sản phẩm nhựa trong lĩnh vực
phun ép. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu
dùng các phương pháp tối ưu hóa nhằm tìm ra
các bộ thông số tốt nhất cho quá trình phun ép
[11-14].


Trong quá trình thiết kế và chế tạo các sản
phẩm nhựa dạng tấm với phương pháp phun ép,
hiện tượng co rút và cong vênh luôn xảy ra trong
và sau khi hoàn thành quá trình ép. Hiện tượng
co rút sản phẩm xuất hiện do hiện tượng giảm thể
tích của nhựa trong quá trình nguội từ nhiệt độ

nóng chảy đến nhiệt độ mở khuôn, và sẽ tiếp tục
đến khi sản phẩm đạt đến nhiệt độ môi trường.
Kết quả của hiện tượng co rút là các vết lõm xuất
hiện trên bề mặt của sản phẩm. Mặc dù các vết
lõm này ảnh hưởng không nhiều đến chức năng
của sản phẩm, nhưng tính thẩm mỹ của sản phẩm
sẽ giảm đáng kể. Hiện tượng co rút thường xuất
hiện tại các vị trí có chiều dày lớn [1, 2]. Với các
sản phẩm nhựa, do thiết kế sản phẩm không đối
xứng, hoặc trong quá trình phun ép, sản phẩm
không nguội đều, do đó, hiện tượng co rút sẽ
không đồng đều trên toàn thể tích sản phẩm. Đây
chính là nguyên nhân gây nên hiện tượng cong
vênh của sản phẩm nhựa trong lĩnh vực phun ép
[3 – 5]. Ngược lại với co rút, hiện tượng cong vênh
sẽ làm sản phẩm giảm đáng kể độ chính xác về
kích thước, dẫn đến không thỏa mãn yêu cầu của
khách hàng, cũng như trong quá trình lắp ráp các
sản phẩm. Ngoài ra, khi hiện tượng co rút không
đều xuất hiện, ứng suất dư sẽ tồn tại, làm ảnh
hưởng xấu đến cơ tính của sản phẩm trong quá


Qua các phân tích nêu trên, hiện tượng co
rút và cong vênh là một trong những yếu tố chính
ảnh hưởng đến chất lượng và khả năng làm việc
của sản phẩm phun ép nhựa. Mặc dù có nhiều
yếu tố ảnh hưởng đến độ co rút sản phẩm như
vật liệu, thông số phun ép, thiết kế sản phẩm,
thiết kế khuôn,… nhưng ảnh hưởng của nhiệt độ

nhựa vẫn chưa được nghiên cứu nhiều và trong
thực tế sản xuất, phương pháp lựa chọn theo kinh
nghiệm vẫn phải được sử dụng. Do đó, trong bài
báo này, nhiệt độ nhựa sẽ được nghiên cứu chi tiết
hơn. Các kết quả về quá trình cong vênh sẽ được
tổng hợp và so sánh với các chiều dày sản phẩm
khác nhau. Đồng thời, quá trình phun ép sẽ được
nghiên cứu thông qua phương pháp thí nghiệm
và phương pháp mô phỏng với phần mềm Moldflow 6.0. Sau đó, kết quả mô phỏng và kết quả thí
nghiệm sẽ được tổng hợp và so sánh.
2. MÔ TẢ THÍ NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG

Trong nghiên cứu này, nhựa Polypropylene
(PP) sẽ được sử dụng trong quá trình thí nghiệm
và mô phỏng với các thông số phun ép được trìnhF

TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số 7 năm 2014
www.cokhivietnam.vn

51


NGHIEÂN CÖÙU - TRAO ĐỔI
bày như Bảng 1. Quá trình mô phỏng với phần
mềm Moldflow 6.0 sẽ được tiến hành thông qua
mô hình mô phỏng có 7658 phần tử. Các kích
thước của hệ thống kênh dẫn nhựa được mô hình
hóa như tấm khuôn thực. Sau khi quá trình mô
phỏng kết thúc, kết quả về độ cong vênh được thể
hiện như hình 1. Các kết quả này sẽ được tổng

hợp và so sánh với thực nghiệm.

Trong quá trình thí nghiệm, nhiệt độ
khuôn được điều chỉnh ở 40 oC, thời gian điền
đầy khuôn là 1 s, thời gian định hình là 5 s, áp
suất phun và áp suất định hình được điều chỉnh
ở 100 MPa, thời gian giải nhiệt là 15 s. Các sản
phẩm phun ép trong nghiên cứu là các tấm hình
chữ nhật được thiết kế với kích thước là 30 mm x
150 mm và chiều dày thay đổi là 1.0 mm, 1.5 mm,
2 mm và 2.5mm. Ngoài ra, trong quá trình phun
ép, với mỗi loại chiều dày của sản phẩm, các mức
nhiệt độ nhựa sau sẽ được tiến hành thí nghiệm:
200oC, 220oC, 240 oC, 260 oC và 280 oC. Ứng với
mỗi trường hợp nhiệt độ nhựa, 20 chu kỳ phun
ép sẽ được tiến hành ép thử nhằm đảm bảo hệ
thống đạt được trạng thái ổn định. Sau đó, 10 chu
kỳ kế tiếp sẽ được tiến hành thu thập các mẫu cho
quá trình đo độ cong vênh. Độ cong vênh của sản
phẩm được tiến hành đo như hình 2. Ứng với mỗi
loại nhiệt độ nhựa và chiều dày sản phẩm, 10 mẫu
sẽ được đo, và giá trị trung bình của các lần đo sẽ
được sử dụng nhằm so sánh và phân tích với các
trường hợp khác.

Hình 1: Kết quả mô phỏng độ cong vênh của sản phẩm
dạng tấm

Hình 2: Đo độ cong vênh của sản phẩm

52

Bảng 1: Thông số phun ép của nhựa Polypropylene
(PP)

Thông số phun ép
Nhiệt độ nhựa
180 - 290 °C
Nhiệt độ khuôn
10.0 - 95.0 °C
Tốc độ phun
80 - 240 mm/s
Nhiệt độ sấy
70.0 - 93.3 °C
Thời gian sấy
2.0 - 24.0 giờ
Độ ẩm cho phép
0.010 - 0.150 %
Áp suất phun
4.14 - 130 MPa

3. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Ứng với các giá trị nhiệt độ nhựa khác
nhau, kết quả mô phỏng về độ cong vênh được
tổng hợp như Bảng 2 và so sánh như hình 3. Nhìn
chung, khi tăng nhiệt độ nhựa từ 200oC đến
280oC, độ cong vênh của tấm nhựa có sự thay đổi
đáng kể. Với mẫu thử có chiều dày càng mỏng,
ảnh hưởng của nhiệt độ nhựa đến cong vênh

sản phẩm sẽ càng lớn. Với chiều dày 1.0 mm, 1.5
mm, 2.0 mm và 2.5 mm, độ cong vênh đã giảm
lần lượt 1.116 mm, 0.756 mm, 0.711 mm và 0.171
mm. Khả năng giảm cong vênh của sản phẩm khi
tăng nhiệt độ nhựa có thể được giải thích bởi hiện
tượng đông đặc nhựa tại vị trí cổng phun (Gate).
Trong quy trình phun ép nhựa, sau khi được điền
đầy vào lòng khuôn, hiện tượng co rút của vật liệu
nhựa sẽ diễn ra do quá trình giảm nhiệt độ. Do
đó, tiếp theo quá trình điền đầy nhựa vào lòng
khuôn (Filling step) là quá trình định hình (Packing step). Trong quá trình định hình, nhựa sẽ tiếp
tục được ép vào lòng khuôn nhằm bù vào phần
thể tích bị co rút do quá trình nguội của nhựa.
Quá trình định hình sẽ tiếp tục diễn ra đến khi
phần vật liệu nhựa tại vị trí cổng phun đông đặc
[12]. Dựa vào quá trình này, nếu nhiệt độ nhựa
càng cao, thời gian đông đặc của nhựa tại vị trí
cổng phun sẽ dài hơn, do đó, khả năng bù vật liệu
do quá trình co rút sẽ được tiến hành trong thời
gian dài hơn. Vì vậy, nhìn chung, hiện tượng co
rút của sản phẩm sẽ được cải thiện và kết quả là
độ cong vênh của tấm nhựa cũng thay đổi theo
chiều hướng tốt hơn. Với kết quả này, trong các
trường hợp phun ép sản phẩm nhựa có thành

TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số 7 năm 2014
www.cokhivietnam.vn


NGHIEÂN CÖÙU - TRAO ĐỔI

mỏng, phương án tăng nhiệt độ nhựa hoàn toàn
có thể sử dụng nhằm giảm độ cong vênh của sản
phẩm, cũng như tăng khả năng điền đầy lòng
khuôn. Tuy nhiên, nếu tăng nhiệt độ nhựa quá
giới hạn cho phép của vật liệu, sản phẩm sẽ có thể
bị bavia hoặc giảm độ bền.

Với các loại chiều dày sản phẩm khác
nhau, kết quả mô phỏng cho thấy khi tăng chiều
dày từ 1.0 mm đến 2.5 mm và tăng nhiệt độ nhựa
từ 200 oC đến 280 oC, độ cong vênh đã giảm rõ
rệt từ 1.534 mm xuống 0.11 mm. Trong nghiên
cứu này, độ cong vênh giảm với tất cả các mức
nhiệt độ nhựa khác nhau khi tăng chiều dày sản
phẩm. Kết quả này có thể được giải thích dựa
vào độ cứng vững của sản phẩm: Khi chiều dày
sản phẩm tăng lên, độ cứng vững của tấm được
tăng thêm đáng kể. Trong qui trình phun ép, sau
khi sản phẩm được lấy ra khỏi lòng khuôn, hiện
tượng co rút của vật liệu vẫn tiếp tục diễn ra. Do
đó, với sản phẩm có chiều dày lớn hơn, khả năng
chống cong vênh sẽ lớn hơn.

và mô phỏng là tương đối giống nhau, quá trình
mô phỏng có thể dự đoán khá chính xác độ cong
vênh của sản phẩm nhựa dạng tấm. Độ sai lệch
lớn nhất giữa mô phỏng và thực nghiệm là 0.024
mm. Vì vậy, phương pháp dự đoán độ cong vênh
của sản phẩm nhựa phun ép bằng phẩn mềm
Moldflow là hoàn toàn khả thi.

Hình 3: Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của chiều dày
sản phẩm đến độ cong vênh
Bảng 3: Kết quả so sánh mô phỏng độ cong vênh của
sản phẩm (δ) giữa thí nghiệm và mô phỏng ứng với
chiều dày 2.5 mm

Bảng 2: Kết quả mô phỏng độ cong vênh của sản phẩm
D (mm)
Nhiệt độ nhựa
( oC)
200
220
240
260
280

1
1.534
1.199
0.937
0.743
0.418

Chiều dày (mm)
1.5
2
1.07
0.835
0.692 0.591

0.504
0.25
0.516 0.139
0.314 0.124

2.5
0.281
0.21
0.161
0.117
0.11


Bên cạnh phương pháp mô phỏng, độ
cong vênh của sản phẩm còn được khảo sát bằng
thực nghiệm. Các mẫu phun ép ở nhiệt độ khuôn
40 oC và chiều dày sản phẩm 2.5 mm ứng với các
giá trị nhiệt độ nhựa từ 200 oC; đến 280 oC đã được
tiến hành đo kiểm độ cong vênh theo phương
pháp như hình 2. Các kết quả so sánh giữa mô
phỏng và thực nghiệm được tổng hợp như Bảng
3 và so sánh như hình 4. Với chiều dày 2.5 mm,
khi tăng nhiệt độ nhựa từ 200 o lên 280 o, độ cong
vênh đã giảm từ 0.305mm xuống 0.110 mm.
Ngoài ra, hình 4 cũng cho thấy kết quả thí nghiệm

Hình 4: Kết quả so sánh độ cong vênh của sản phẩm
(δ) giữa thực nghiệm và mô phỏng ứng với nhiệt độ
nhựa thay đổi

TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số 7 năm 2014
www.cokhivietnam.vn

53

F


NGHIEÂN CÖÙU - TRAO ĐỔI
4. KẾT LUẬN

Qua quá trình mô phỏng và đo kiểm thực
tế, các kết luận sau đã được rút ra:

- Khi nhiệt độ nhựa tăng từ 200oC đến
o
280 C, độ cong vênh của sản phẩm nhựa dạng tấm
có sự thay đổi đáng kể. Kết quả này tương tự cho
tất cả các chiều dày của mẫu thử. Do đó, phương
pháp tăng nhiệt độ nhựa trong quá trình phun ép
hoàn toàn có thể được sử dụng nhằm hạn chế độ
cong vênh của các sản phẩm nhựa. Ngoài ra, với
nhiệt độ nhựa cao, khả năng điền đầy lòng khuôn
trong các trường hợp sản phẩm dạng thành mỏng
hoặc sản phẩm phức tạp cũng được cải thiện đáng
kể. Tuy nhiên, thông số nhiệt độ nhựa chỉ được
thay đổi trong khoảng cho phép của vật liệu nhựa.
Nếu nhiệt độ nhựa quá cao sẽ dễ dẫn đến khuyết
tật về bavia hoặc làm chậm thời gian giải nhiệt
cho sản phẩm.

- Thông qua nghiên cứu này, chiều dày
của sản phẩm cũng có ảnh hưởng lớn đến độ
cong vênh của sản phẩm nhựa dạng tấm. Khi tăng
chiều dày từ 1.0 mm đến 2.5 mm, độ cong vênh đã
giảm từ 1.534 mm xuống 0.418 mm với mẫu thử
có chiều dày 1 mm. Do đó, chiều dày sản phẩm
cũng là một thông số quan trọng cần được quan
tâm trong quá trình thiết kế các sản phẩm nhựa,
đặc biệt với các sản phẩm dạng thành mỏng.

- Thông qua quá trình đo kiểm thực tế,
độ chính xác của các kết quả mô phỏng đã được
kiểm chứng. Các kết quả so sánh giữa thí nghiệm
và mô phỏng cho thấy quá trình mô phỏng có
thể dự đoán khá chính xác độ cong vênh của sản
phẩm nhựa dạng tấm. Do đó, trong quá trình sản
xuất, công cụ mô phỏng hoàn toàn có khả năng
ứng dụng trong thực tế nhằm dự đoán trước mức
độ cong vênh của sản phẩm nhựa dạng tấm, từ
đó, nhà sản xuất sẽ có các giải pháp khắc phục
hoặc hạn chế độ cong vênh của sản phẩm.

Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm tác giả sẽ
tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số
phun ép khác đến quá trình co rút và biến dạng
của sản phẩm phun ép nhựa, cũng như nghiên
cứu quá trình co rút của các dạng sản phẩm khác
nhau như: Hình trụ, hình hộp,… 
54

Ngày nhận bài: 12/6/2014
Ngày phản biện: 14/7/2014
Tài liệu tham khảo:
[1]. L. Shih-Jung, L. Chang-Hsu and W. Y-Chuan, Minimizing
the sinkmarks in injection-molded thermoplastics, Adv Polym
Technol, 2001, Vol. 20(3), p. 202 – 215.
[2]. Y. Dongang and K. Byung, Direct-search-based automatic
minimization of weldlines in injection-molded parts, Polym-Plastics
Technol Eng, 1998, Vol. 37(4), p.509–525.
[3]. R. A. Harris, R. J. M. Hague and P. M. Dickens, The
structure of parts produced by stereolithography injection
mold tools and the effect on part shrinkage, Int J Machine
Tools Manufact, 2004, Vol. 44(1), p. 59–64.
[4]. M. Kurokawa, Y. Uchiyama, T. Iwai and S. Nagai, Performance
of plastic gear made of carbon fiber reinforced PA66, Wear,
2003, Vol. 254(5-6), p. 468–473.
[5]. R. Selden, Thin wall molding of engineering plastics – A
literature survey. J Inject Mold Technol, 2000, p. 159–165.
[6]. B. H. Lee and B. H. Kim, Optimization of part wall thicknesses
to reduce warpage of injection-molded parts based on the
modified complex method, Polym-Plastic Technol Eng, 1995,
Vol. 34(5), p. 793–811.
[7]. M. C. Huang and C. C. Tai, The effective factors in the
warpage problem of an injection-molded part with a thin
shell feature, J Mater Process Technol, 2001, Vol. 110, p. 1–9.
[8]. M. St. Jacques, Analysis of thermal warpage in injection
molded flat parts due to unbalanced cooling, Polym Eng Sci,
1982, Vol. 22, p. 241–5.
[9]. K. Beiter, K. Ishii and L. Hornherger, Proposed a geometry-based sink index to predict the sink mark depth of

injection-molded parts, ASME-DED, 1991 Vol. 31, p. 111.
[10]. S. J. Liao, D. Y. Chang, H. J. Chen, L. S. Tsou, J. R. Ho
and H. T. Yau, Optimal process conditions of shrikage and
warpage of thin-wall parts. Polym Eng Sci, 2004, Vol. 44(5),
p. 917–28.
[11]. K.K. Kabanemi, H. Vaillancourt, H. Wang and G. Salloum,
Residual stresses, shrinkage, and warpage of complex injection
molded products: numerical simulation and experimental
validation, Polym. Eng. Sci., 1998, Vol. 38 (1), p. 21–37.
[12]. G.U. Yuanxian, L.I. Haimei and S. Changyo, Numerical
simulation of thermally induced stress and warpage in injectionmolded thermoplastics, Adv. Polym. Technol., 2001, Vol. 20
(2), p. 14–21.
[13]. S.J. Liu, Modeling and simulation of thermally induced
stress and warpage in injection molded thermoplastics,
Polym. Eng. Sci., 1996, Vol 36 (6), p. 807–818.
[14]. K. Hiroyuki and K. Kiyohito, Warpage anisotropy and
part thickness, Polym. Eng. Sci., 1996, Vol. 36 (10), p. 1326–
1335.

TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số 7 năm 2014
www.cokhivietnam.vn