nghiên cứu quá trình gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa theo phương pháp cảm ứng từ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.05 MB, 67 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐINH NGỌC TRINH
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT
CHO KHUÔN PHUN ÉP NHỰA
THEO PHƯƠNG PHÁP CẢM ỨNG TỪ
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103
S K C0 0 4 3 2 1
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐINH NGỌC TRINH
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT CHO KHUÔN PHUN
ÉP NHỰA THEO PHƯƠNG PHÁP CẢM ỨNG TỪ
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐINH NGỌC TRINH
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT CHO KHUÔN PHUN
ÉP NHỰA THEO PHƯƠNG PHÁP CẢM ỨNG TỪ
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2014
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Đinh Ngọc Trinh
Giới tính: Nữ
Ngày, tháng, năm sinh: 09/08/1986
Nơi sinh: Long An
Quê quán: Thủ Thừa- Long An
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: ấp 1, Nhị Thành, Thủ Thừa, Long An
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại di động: 01686090205
Fax:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:
Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……
Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: chính quy
Thời gian đào tạo từ 09/ 2005 đến 11/2009
Nơi học Trƣờng ĐH Đồng Tháp - TP. Cao Lãnh - Đồng Tháp
Ngành học: Kỹ thuật công nghiệp
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
Nơi công tác
Công việc đảm nhiệm
01/01/2010
Trƣờng THPT Phan Văn Đạt
Giáo viên Công nghệ
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 10 năm 2014
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
ii
CẢM TẠ
Tác giả xin chân thành cảm ơn quí Thầy Cô trong khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy,
trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn
và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn tốt nghiệp đúng tiến độ.
Đặc biệt, tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS.NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG, dù
rất bận rộn với công việc giảng dạy nhƣng Thầy vẫn luôn dành thời gian quan tâm,
hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện luận
văn. Tác giả cũng chân thành cám ơn TS. PHẠM SƠN MINH đã nhiệt tình góp ý,
giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 10 năm 2014
iii
ABSTRACT
In the recent years, mold rapid heating technologies have been developed all
the time. The induction heating system is the most popular technology to make the
mobility of plastic so that it would result a better replication of micro-structure and
shorten the cycle time. Generally, the problem that usually occurs in the induction
heating process is the difficulty in controlling the uniformity temperature during the
heating process. Topic “Heating process for injection molding process by induction
heating method” explained this problem.
This study started from designed four coils design to compare each others by
using the ANSYS simulation software. Continued, with selected two coils design
and compared with the experiment results. Finally, in the last step, the best coil
designed was selected, continued with development the design. The coil’s
development is divided into four kinds (the coupling distance 1, 3, 5mm), (the coil
height 40, 60, 80mm), (the coil pitch 3, 5, 7mm) and (the coil cross sectional shape:
square and circle). For the study case, was the application of the coil designed
The result showed that the best coil designed heated up from 40C in 2
second, could reach max temperature for 91C with heating speed for 25.5C/s.
Moreover, the development for the coil design also showed that, the closer coupling
distance(1mm) produced higher temperature, smaller coil height (40mm) produced
better uniformity, larger coil pitch (7mm) produced better uniformity (with certain
limit), and the square cross sectional shape also produced better uniformity
temperature. Furthermore, for the study case result showed that, the 3D coil design
can produce good uniformity temperature.
By doing this study, a better coil (3D) designed with core surface mold and
appropriate coil parameters to produced better uniformity temperature during the
heating process could be reached.
iv
TÓM TẮT
Trong những năm gần đây, công nghệ gia nhiệt cho khuôn phun ép đã đƣợc
phát triển khá nhanh. Hệ thống gia nhiệt bằng cảm ứng từ đƣợc xem là công nghệ
phổ biến với ngành sản xuất nhựa, vì thế nó đƣợc ứng dụng tốt nhất trong sản xuất
sản phẩm có cấu trúc vi mô và chu kỳ phun ép ngắn. Nhìn chung, vấn đề thƣờng
xảy ra trong quá trình gia nhiệt theo phƣơng pháp cảm ứng từ là sự khó khăn trong
việc điều khiển nhiệt độ khuôn để đạt đƣợc sự phân bố nhiệt độ đồng đều trong quá
trình gia nhiệt. Do đó, đề tài “Nghiên cứu quá trình gia nhiệt cho khuôn phun ép
nhựa theo phương pháp cảm ứng từ” sẽ giải quyết phần nào vấn đề nói trên.
Nghiên cứu của đề tài đƣợc bắt đầu với việc so sánh 4 thiết kế cuộn dây gia
nhiệt bằng phƣơng pháp mô phỏng bằng phần mềm ANSYS. Tiếp đó, chọn ra 2
thiết kế tối ƣu để thực nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng để tìm ra 1 thiết kế
tốt nhất. Bƣớc cuối cùng, tối ƣu hóa thiết kế tốt nhất theo 4 thông số về: khoảng
cách cuộn dây và bề mặt khuôn, chiều cao cuộn dây, bƣớc của cuộn dây và tiết diện
vòng dây của cuộn, để tìm đƣợc cuộn dây với thông số gia nhiệt tốt nhất.
Kết quả với thiết kế cuộn dây tốt nhất gia nhiệt ở 40oC trong thời gian 2
giây, nhiệt độ gia nhiệt đƣợc nâng lên 91oC với tốc độ gia nhiệt 25,5oC/s. Hơn nữa,
nhiệt độ cuôn dây đã đƣợc tối ƣu hơn khi đặt cách bề mặt khuôn 1mm, chiều cao
cuộn dây ở 40 mm, bƣớc cuộn dây ở 7mm, tiết diện cuộn hình vuông giúp phân bố
nhiệt độ đồng đều hơn. Do đó, nghiên cứu đã thể hiện thiết kế cuộn dây thứ 3 tạo ra
sự phân bố nhiệt độ tốt hơn.
Hƣớng nghiên cứu dự kiến, mô phỏng cuộn dây 3 tốt hơn với bề mặt khuôn
phức tạp và các thông số thích hợp để đạt đƣợc sự phân bố nhiệt độ đồng đều hơn
trong suốt quá trình gia nhiệt.
v
MỤC LỤC
Trang tựa
TRANG
Quyết định giao đề tài
Xác nhận của cán bộ hƣớng dẫn
Lý lịch cá nhân ………………………………………………………………………i
Lời cam đoan ……………………………………………………………………… ii
Cảm tạ…………………………………………………………………………........iii
Tóm tắt………………………..…………………………………………………….iv
Mục lục …………………………..………………………………………………...vi
Danh sách các chữ viết tắt ………………………….……………………………viii
Danh sách các hình ………………………………………………………………...ix
Danh sách các bảng ……………………………………………………………….xii
Chƣơng 1 .................................................................................................................. 1
Tổng quan.................................................................................................................. 1
1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài trong và ngoài
nƣớc ......................................................................................................................... ..1
1.2 Tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học của đề tài ..................................................... 6
1.3 Mục đích nghiên cứu, đối tƣợng nghiên cứu ...................................................... 6
1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài ....................................................... 7
1.5 Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................... 8
1.6 Kế hoạch thực hiện.............................................................................................. 9
Chƣơng 2 ................................................................................................................. 10
Quá trình gia nhiệt theo phƣơng pháp cảm ứng từ ................................................. 10
2.1 Giới thiệu chung về phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ .......................... 10
vi
2.2 Hiệu ứng bề mặt ................................................................................................ 12
2.3 Thiết kế cuộn dây gia nhiệt ............................................................................... 13
2.4 Một số đặc điểm nổi bật của quá trình gia nhiệt theo phƣơng pháp cảm ứng từ13
Chƣơng 3 ................................................................................................................. 16
Phƣơng pháp và thiết bị thí nghiệm ........................................................................ 16
3.1 Trang thiết bị thí nghiệm ................................................................................... 16
3.2 Phƣơng pháp thí nghiệm ................................................................................... 25
Chƣơng 4 ................................................................................................................. 27
Mô phỏng và thí nghiệm quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ ............................... 27
4.1 Giới thiệu........................................................................................................... 27
4.2 Mô phỏng quá trình gia nhiệt ứng với các thiết kế khác nhau của cuộn dây.... 28
4.3 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm ...................................................... 33
Chƣơng 5 ................................................................................................................. 47
Kết luận và hƣớng phát triển ................................................................................... 47
5.1 Kết luận ............................................................................................................. 47
5.2 Hƣớng phát triển ............................................................................................... 58
Tài liệu tham khảo ................................................................................................... 50
vii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
CAD: Computer Aided Design
CAM: Computer Aided Manufacturing
CAE: Computer Aided Engineering
CNC: Computer Numerical Control
viii
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH
TRANG
Hình 1.1 Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng hơi nƣớc….………………….….2
Hình 1.2 Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngoại.……………………2
Hình 1.3 Phƣơng pháp gia nhiệt cho khuôn bằng dòng khí nóng……………...3
Hình 1.4 Phƣơng pháp gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ………………….4
Hình 2.1 Nguyên lý hoạt động của phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ…11
Hình 2.2 Dòng điện cảm ứng trong phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ…12
Hình 3.1 Máy gia nhiệt bằng cảm ứng từ………………………………………..16
Hình 3.2 Thiết kế 1……………………………………………………………….18
Hình 3.3 Thiết kế 2……………………………………………………………….18
Hình 3.4 Thiết kế 3……………………………………………………………….19
Hình 3.5 Thiết kế 4……………………………………………………………….19
Hình 3.6 Kích thƣớc của tấm khuôn thí nghiệm……………………………...….20
Hình 3.7 Thiết bị điều chỉnh nhiệt độ khuôn……………………………………..21
Hình 3.8 Camera nhiệt…………………………………………………………….22
Hình 3.9 Giao diện của phần mềm phân tích nhiệt độ…………………………...23
Hình 3.10 Thiết bị đo nhiệt (tiếp xúc)…………………………………………….24
Hình 3.11 Các bƣớc thí nghiệm……………………………………………………25
Hình 3.12 Hệ thống đo nhiệt độ……………………………………………………26
Hình 3.13 Vị trí đo nhiệt độ………………………………………………………..26
Hình 4.1 Mô hình mô phỏng……………………………………………………….29
Hình 4.2 Mô hình lƣới của cuộn dây và tấm khuôn………………………………29
ix
Hình 4.3 Phân bố nhiệt độ của cuộn dây thứ 1……………………………………31
Hình 4.4 Phân bố nhiệt độ của cuộn dây thứ 2……………………………………31
Hình 4.5 Phân bố nhiệt độ của cuộn dây thứ 3……………………………………32
Hình 4.6 Phân bố nhiệt độ của cuộn dây thứ 4……………………………………32
Hình 4.7 So sánh phân bố nhiệt độ tại 3 điểm với 4 loại cuộn dây……………….33
Hình 4.8 Hệ thống thiết bị thí nghiệm……………………………………………..34
Hình 4.9 Cuộn dây và tấm khuôn cho thí nghiệm………………………………..34
Hình 4.10 Kết quả gia nhiệt khi sử dụng cuộn dây 2D……………………………35
Hình 4.11 Kết quả gia nhiệt khi sử dụng cuộn dây 3D……………………………35
Hình 4.12 Nhiệt độ tại 3 điểm khi cuộn dây 2D đƣợc sử dụng…………………..36
Hình 4.13 Nhiệt độ tại 3 điểm khi cuộn dây 3D đƣợc sử dụng…………………..36
Hình 4.14 Khoảng cách giữa cuộn dây và khuôn…………………………………37
Hình 4.15 Chiều cao của cuộn dây………………………………………………..38
Hình 4.16 Bƣớc của cuộn dây……………………………………………………..38
Hình 4.17 Tiết diện của cuộn dây………………………………………………….38
Hình 4.18 Nhiệt độ bề mặt tấm khuôn khi K thay đổi từ 1 mm đến 5 mm (Mô
phỏng)……………………………………………………………………………...39
Hình 4.19 Phân bố nhiệt độ tại bề mặt khuôn khi K thay đổi……………………40
Hình 4-20 Nhiệt độ bề mặt tấm khuôn khi H thay đổi từ 40mm đến 80mm………41
Hình 4-21 Phân bố nhiệt độ tại bề mặt khuôn khi H thay đổi……………………..42
Hình 4-22 Nhiệt độ bề mặt tấm khuôn khi P thay đổi từ 3mm đến 7mm (Mô
phỏng)……………………………………………………………………………..43
Hình 4-23 Phân bố nhiệt độ tại bề mặt khuôn khi P thay đổi từ 3 đến 7 mm…….44
Hình 4-24. Nhiệt độ tại bề mặt khuôn khi tiết diện dây thay đổi………………….45
Hình 4-25. Phân bố nhiệt độ tại bề mặt khuôn khi tiết diện dây thay đổi…………46
x
Hình 5.1 Mô hình mô phỏng cho cuộn dây gia nhiệt trên bề mặt khuôn phức tạp..48
Hình 5.2 Mô hình chia lƣới của cuộn dây gia nhiệt và tấm khuôn trên bề mặt khuôn
phức tạp…………………………………………………………………………….48
Hình 5.3 Phân bố nhiệt độ trên tấm khuôn trong thời gian gia nhiệt 10 giây……...49
xi
DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG
TRANG
Bảng 1.1 Kế hoạch thực hiện………………………………………………..9
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của máy gia nhiệt bằng cảm ứng từ………….17
Bảng 3.2 Thông số của thiết bị điều khiển nhiệt độ khuôn bằng nƣớc…….21
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của camera nhiệt……………………………..22
Bảng 3.4 Thông số của thiết bị đo nhiệt tiếp xúc…………………………..24
Bảng 4.1 Thông số mô phỏng cho 4 thiết kế của cuộn dây………………..28
Bảng 4.2 Thông số chính của quá trình mô phỏng…………………………30
Bảng 4.3 Thông số thiết kế của cuộn dây 3D……………………………....37
xii
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài
nƣớc
1.1.1 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 lòng khuôn 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 khuôn tăng cao, quá
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 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.
Dựa vào ảnh hưởng nhiệt độ lên tấm khuôn, quá trình gia nhiệt cho khuôn
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) (Hình 1.1) có thể đạt được tốc độ gia nhiệt
từ 1oC/s đến 3oC/s [3]. Độ gia nhiệt theo phương pháp này không được đánh giá cao
và quá trình giải nhiệt cho khuôn cũng sẽ gặp nhiều khó khăn.
Trong nghiên cứu khác, tốc độ gia nhiệt được cải tiến đáng kể khi phương
pháp gia nhiệt cho bề mặt khuôn được sử dụng. Quá trình điền đầy của nhựa vào
lòng khuôn được cải thiện khi bề mặt khuôn 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 1.2), được nghiên cứu
và ứng dụng cho khuôn phun ép nhựa [6, 7].
1
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Steam
Recovery
Steam Source
Air Source
Steam Recovery
Valve exchange
unit
Cool Water
Source
AirRecovery
recovery
Air
Water
Recovery
Water Recovery
MOLD
CONTROL SYSTEM
Hình 1.1 Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng hơi nước (Steam heating)
Hình 1.2 Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngoại (infrared heating
system)
2
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Ngoài ra, nhằm đáp ứng yêu cầu gia nhiệt cho các bề mặt phức tạp, phương
pháp thổi khí nóng vào lòng khuôn (gas heating) đã được nghiên cứu và đánh giá [8,
9]. Với phương pháp này, nhiệt độ bề mặt khuôn có thể được tăng từ 60oC đến
120oC trong thời gian 2 giây. Tuy nhiên, quá trình gia nhiệt này sẽ đạt tới trạng thái
bảo hòa khi thời gian gia nhiệt kéo dài hơn 4 giây. Ưu điểm của phương pháp thổi
khí nóng vào lòng khuôn (gas heating) là tốc độ gia nhiệt rất cao, và thời gian chu
kỳ của sản phẩm sẽ được rút ngắn. Tuy nhiên, thiết kế của khuôn phun ép (Hình
1.3) cần được thực hiện lại nhằm tích hợp hệ thống gia nhiệt vào.
Hình 1.3 Phương pháp gia nhiệt cho khuôn bằng dòng khí nóng (Gas heating)
Trong 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.
3
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Hình 1.4 Phương pháp gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ (Induction heating)
Trong các nghiên cứu mới đây, phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ
(Hình 1.4) 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:
- Tốc độ gia nhiệt cao
- Thời gian gia nhiệt có thể kéo dài đến 20 giây
- Có thể ứng dụng cho khuôn phun ép như một module đính kèm, nghĩa là
không cần thay đổi kết cấu khuôn có sẵn.
Tuy nhiên, hiện nay, các thiết kế của cuộn dây gia nhiệt chỉ giới hạn ở dạng
2D, toàn bộ cuộn dây chỉ được bố trí trên 2 mặt phẳng. Điều này ảnh hưởng không
tốt đến phân bố nhiệt độ trên bề mặt của khuôn. Đây cũng là một trong những
nguyên nhân làm tăng độ cong vênh của sản phẩm nhựa sau khi phun ép. Để khắc
phục hiện tượng này, mô hình cuộn dây 3D được đề xuất nhằm nâng cao độ đồng
đều về nhiệt độ của bề mặt khuôn và giảm cong vênh sản phẩm.
4
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
1.1.2 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 khuôn
phun ép nhằm giải quyết bài toán 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 mô phỏng quá trình gia công nhựa như: C-Mold,
Moldflow, Moldex3D,… Ngoài ra, trong nghiên cứu, đã có một số đề tài tìm hiểu
và ứng dụng công cụ CAD – CAM – CAE được thực hiện 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 toán 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 toán, mô 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 khuôn 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 khuôn vỏ bình nước nóng.
- Đề tài nghiên cứu khoa học – công nghệ, PGS.TS ĐOÀN THỊ MINH
TRINH đã thực hiện đề tài : “Ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CAE, xác định thông
số miệng phun, vùng dồn nén khí, kích thước kênh dẫn nhựa, hệ thống giải nhiệt
hợp lý cho khuôn ép phun nhựa” (thuộc chương trình “Nghiên cứu tự động hóa” của
5
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
thành phố), thực hiện trong thời gian 9-2003 đến 8-2004, nghiệm thu ngày 30-82004.
Tuy nhiên, đến hiện nay, 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, quá trình gia nhiệt cho khuôn
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.
1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Như đã trình bày ở trên, việc thiết kế hệ thống khuôn ép nhựa nói chung và
thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ nói riêng là một quá trình phức tạp, đòi hỏi
tốn nhiều chi phí và thời gian. Hiện nay, việc thiết kế hệ thống làm nguội được
thực hiện theo 2 phương pháp:
- Thiết kế theo kinh nghiệm.
- Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (sử dụng công cụ CAE).
Tuy nhiên, cả hai phương pháp này đều tập trung chủ yếu vào quá trình giải
nhiệt cho khuôn. Do đó, đa số các công ty 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. Ngoài ra, các phương án giải quyết các vấn đề về cong
vênh, đường hàn, chất lượng bề mặt… vẫn còn rất hạn chế và tốn nhiều chi phí
trong qua trình gia công.
1.3 Mục tiêu đề tài, đối tƣợng nghiên cứu
1.3.1 Mục tiêu đề tài:
Nghiên cứu phương pháp gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa theo nguyên lý
gia nhiệt bề mặt bằng cảm ứng từ với các mục tiêu như sau:
6
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
- Tốc độ gia nhiệt đủ nhanh (sau 3-5 giây, nhiệt độ bề mặt khuôn đạt tới nhiệt
độ > 100oC)
- Phân bố nhiệt độ trên bề mặt khuôn ứng với các thiết kế khác nhau của
cuộn dây.
- Phân tích, mô phỏng quá trình gia nhiệt nhằm dự đoán phân bố nhiệt độ
ứng với các thiết kế khác nhau của cuộn dây
1.3.2 Đối tượng nghiên cứu
Mô hình gia nhiệt cho tấm khuôn phun ép bao gồm:
- Hệ thống điều khiển nhiệt độ cho khuôn bằng nước
- Hệ thống dẫn nước giải nhiệt trong lòng khuôn
- Tấm khuôn
- Phương pháp mô phỏng nhằm dự đoán kết quả gia nhiệt cho bề mặt khuôn.
1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài
1.4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu
-
Thu thập và phân tích tài liệu về kỹ thuật điều khiển nhiệt độ cho khuôn
phun ép gồm 2 nhóm chính:
Giải nhiệt cho khuôn
Gia nhiệt cho khuôn
-
Tìm hiểu các yêu cầu về kết cấu khuôn ứng với phương pháp điều khiển
nhiệt độ theo nguyên lý cảm ứng từ
-
Phân tích và đề xuất các thiết kế cho cuộn dây trong hệ thống gia nhiệt
bằng cảm ứng từ cho khuôn phun ép
-
Mô phỏng các thiết kế của cuộn dây và chọn ra các thiết kế khả thi
-
Thực nghiệm nhằm kiểm chứng các kết quả phân tích, mô phỏng
7
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
-
Tổng kết và đưa ra các phương án tối ưu hóa
1.4.2 Giới hạn đề tài:
- Tấm khuôn mẫu kích thước : 100x100x30 mm3
- Hệ thống điều khiển nhiệt độ cho khuôn bằng nước : 25oC 90oC
- Quá trình gia nhiệt cho khuôn đạt nhiệt độ cao nhất: 110oC
1.5 Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu
1.5.1. Cách tiếp cận
Sử dụng phương pháp định lượng trong quá trình tính toán, phân tích mô
phỏng kết hợp với thực nghiệm nhằm kiểm chứng kết quả.
1.5.2. Phương pháp nghiên cứu
1.5.2.1
Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu:
Thu thập, phân tích và biên dịch tài liệu liên quan tới kỹ thuật gia nhiệt cho
khuôn phun ép nhựa: đảm bảo tính đa dạng, đa chiều và tận dụng được các kết quả
của các nghiên cứu mới nhất, phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài
1.5.2.2
-
Phương pháp phân tích thực nghiệm:
Dựa trên các kết quả và thất bại trong thực nghiệm, lựa chọn được cấu
hình thiết bị phù hợp, tối ưu hóa được quy trình thu thập kết quả thí nghiệm.
-
Áp dụng quy trình thí nghiệm trên các thiết kế khác nhau của cuộn dây
(thiết kế 2D và 3D)
1.5.2.3
Phương pháp phân tích so sánh:
Dựa trên các kết quả về mô phỏng và thực nghiệm so sánh giữa 2 thiết kế
của cuộn dây (2D và 3D) về các yếu tố:
- Phân bố nhiệt độ trên bề mặt khuôn
- Giá trị nhiệt độ cao nhất của quá trình gia nhiệt.
8
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Từ đó làm sáng tỏ lý thuyết và kết quả có tính thuyết phục cao.
1.6 Kế hoạch thực hiện
Kế hoạch thực hiện luận văn được trình bày tóm tắt trong bảng 1.1
STT
Nội dung công việc
Thời gian thực hiện
1
Tổng quan
09/2013
2
Quá trình gia nhiệt theo phương pháp
10/2013 - 12/2013
cảm ứng từ
3
Phương pháp và thiết bị thí nghiệm
1/2014 - 03/2014
4
Mô phỏng và thí nghiệm quá trình gia
04/2014 - 06/2014
nhiệt bằng cảm ứng từ
5
Kết luận và hướng phát triển
07/2014
Bảng 1-1 Kế hoạch thực hiện luận văn
9
Ghi chú
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Chương 2
QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT THEO PHƢƠNG PHÁP
CẢM ỨNG TỪ
Chương này sẽ giới thiệu về hệ thống gia nhiệt bằng cảm ứng từ. Ngoài
ra, các nguyên lý cơ bản và các đặc điểm nổi bật của phương pháp gia nhiệt này
cũng sẽ được đề cập đến. Hiện nay, phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ là một
trong những phương pháp mới, đang được ứng dụng ngày càng phổ biến trong công
nghệ phun ép nhựa, vì vậy, khả năng ứng dụng của phương pháp này cũng sẽ được
đề cập đến.
2.1 Giới thiệu chung về phƣơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ
Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ thường được sử dụng trong quá
trình gia nhiệt cho các vật liệu sắt từ nhằm nâng nhiệt độ lên đến trạng thái lỏng
(nóng chảy), hoặc đến nhiệt độ chuyển đổi pha (quá trình tôi cao tần). Hiện nay,
trong các phương pháp gia công tiên tiến, phương pháp gia nhiệt này có ưu điểm
vượt trội về tốc độ gia nhiệt, độ ổn định, cũng như khả năng điều khiển quá trình gia
nhiệt. Nhìn chung, phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ thuộc nhóm phương
pháp gia nhiệt không tiếp xúc. Phương pháp này dựa trên ảnh hưởng của dòng điện
cao tần trong cuộn dây (coil) tạo nên dòng điện cảm ứng trên bề mặt cần gia nhiệt.
Nhờ dòng điện cảm ứng này, bề mặt cần gia nhiệt sẽ được nung nóng đến giá trị cần
thiết. Do đặc điểm về dòng điện cảm ứng từ, trong quá trình gia nhiệt, hầu như chỉ
phần vật liệu gần lớp bề mặt bị ảnh hưởng (nung nóng), do đó, hiệu quả của quá
trình gia nhiệt được nâng cao. Ngoài ra, trong quá trình phun ép, sau khi bề mặt
khuôn được gia nhiệt và đạt đến giá trị nhiệt độ nhất định, nhựa nóng sẽ được phun
vào lòng khuôn, sau đó, quá trình giải nhiệt cho khuôn sẽ diễn ra. Vì phương pháp
cảm ứng từ chỉ gia nhiệt tại bề mặt khuôn, do đó, quá trình giải nhiệt cho khuôn sẽ
10
