Nghiên cứu các ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến chất lượng sản phẩm trong khuôn với kênh dẫn nóng

ĐAI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

--------------------

NGUYỄN HÙNG DŨNG

NGHIÊN CỨU CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP
SUẤT ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM TRONG KHUÔN
VỚI KÊNH DẪN NĨNG
CHUN NGÀNH : CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
MÃ SỐ NGÀNH :

60 52 04

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2015


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa-ĐHQG TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS Phạm Ngọc Tuấn

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM
ngày 07 tháng 07 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. PGS.TS Phan Đình Huấn - Chủ Tịch Hội Đồng
2. TS Hồ Thị Thu Nga -Thư Kí
3. PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh - Phản Biện 1
4. PGS.TS Phạm Ngọc Tuấn - Phản Biện 2
5. TS Lương Hồng Sâm - Ủy Viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS Phan Đình Huấn

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Nguyễn Hùng Dũng

MSHV: 12040464

Ngày, tháng, năm sinh: 22/07/1988

Nơi sinh: Tây Ninh

Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy

Mã số: 605204

I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ
ÁP SUẤT ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM TRONG KHUÔN VỚI KÊNH
DẪN NÓNG.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tổng quan các tài liệu

-

Trình bày quy trình và phương pháp xây dựng mơ hình mơ phỏng nhiệt và

dịng chảy nhựa dẻo để đánh giá và tối ưu phương án thiết kế.
-

Phân tích và tính tốn cơng suất gia nhiệt, sự mất mát nhiệt và áp suất dựa

trên sự phân bố nhiệt độ trên tấm chia nhựa và đầu phun của hệ thống kênh dẫn
nóng
-

Thiết kế và chế tạo bộ khn chén xét nghiệm để tiến hành thực nghiệm

-

Phân tích và lựa chọn các thơng số cơng nghệ trong q trình ép phun.

-

Thực nghiệm để đánh giá và xác định mối quan hệ của áp suất và nhiệt độ

trong quá trình ép phun đến chất lượng sản phẩm.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19-01-2015
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14-06-2015
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Thái Thị Thu Hà.
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2015
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN

PGS.TS Thái Thị Thu Hà
TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS Thái
Thị Thu Hà và PGS.TS Đặng Văn Nghìn đã hướng dẫn, giúp đỡ và hỗ trợ
rất nhiệt tình trong quá trình thực hiện luận văn này. Những kiến thức và kinh
nghiệm quý báu của thầy và cơ đã giúp tơi có định hướng đúng đắn, rõ ràng

trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Công Ty Nhựa Duy Tân đặc biệt là
anh Trần Cao Minh đã tạo mọi điều kiện và hỗ trợ giúp tơi hồn thành luận
văn này.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cơ giáo trong Khoa Cơ Khí,
Trường Đại Học Bách Khoa TPHCM đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt cho
tơi các kiến thức nền tảng trong suốt q trình học tại trường.
Ngoài ra để đạt được kết quả như ngày hôm nay, 1 điều rất quan trọng đã
giúp tôi hồn thành luận văn này chính là sự ủng hộ và khích lệ tinh thần từ
bố mẹ, anh chị em trong gia đình và người vợ tương lai của tơi. Xin chân
thành cảm ơn mọi người rất nhiều.


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay, hơn bao giờ hết, ngành công nghiệp nhựa luôn được thúc đẩy theo
xu hướng nâng cao chất lượng sản phẩm với chi phí sản xuất phải là tối thiểu. Mặc
dù hai 2 yếu tố này luôn mẫu thuẫn nhưng chúng luôn được đi kèm với nhau để đáp
ứng những nhu cầu ngày càng cao từ người tiêu dùng. Chất lượng của các sản phẩm
nhựa đặc biệt là các sản phẩm nhựa kỹ thuật và các sản phẩm thành mỏng có ảnh
hưởng quyết định về chức năng, mỹ quan cũng như tuổi thọ của chúng. Chính vì
nhu cầu này mà các nhà làm khn ln phải áp dụng các công nghệ và phương
pháp mới để thay đổi chất lượng hiện tại. Một trong những giải pháp khá hiệu quả
mà các nhà làm khuôn đã nghĩ đến đó là sử dụng khn kênh dẫn nóng với số lượng
lịng khn lớn nhất có thể để tăng chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và tăng hiệu
quả sản xuất.Trên thực tế thì bất kì cơng nghệ hay hệ thống nào đi nữa điều có
những điểm hạn chế nhất định, khn sử dụng kênh dẫn nóng cũng khơng ngoại lệ.
Một điểm hạn chế lớn nhất khi sử dụng khuôn kênh dẫn nóng với số lượng lịng
khn càng lớn đó chính là độ đồng nhất, độ chính xác kích thước và khả năng biến
tính vật liệu. Do đó nhiều nhà nghiên cứu đã bắt tay vào việc xác định các yếu tố có
mức độ ảnh hưởng lớn nhất trong khn kênh dẫn nóng đối với chất lượng sản

phẩm và cuối cùng hai trong các yếu tố có vai trị quyết định đến chất lượng sản
phẩm khi dùng khn kênh dẫn nóng có nhiều lịng khn đã được chứng minh đó
là áp suất và nhiệt độ.
Vì thế, trong luận văn này đã trình bày cái nhìn tổng quan liên quan đến các
nghiên cứu về các ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ trong q trình ép đến chất
lượng sản phẩm. Ngồi ra còn đưa ra các phương pháp mới để tối ưu nhiệt độ và áp
suất trong quá trình thiết kế khn kênh dẫn nóng để đạt trang thái ổn định nhất.
Dựa trên các dữ liệu đó để thiết kế và chế tạo một bộ khuôn thực tế với sản phẩm là
chén xét nghiệm y tế sẽ được sử dụng làm thực nghiệm để đánh giá và xác định mối
quan hệ của áp suất và nhiệt độ trong quá trình ép phun đến chất lượng sản phẩm.


LỜI CAM KẾT
Tôi tên: Nguyễn Hùng Dũng
Học viên lớp: Cao học công nghệ chế tạo máy
Mã số học viên: 12040464
Theo quyết định giao đề tài luận văn cao học của phòng Đào Tạo Sau Đại Học
của trường Đại Học Bách khoa TP.HCM, tôi đã thực hiện luận văn cao học với đề
tài “Nghiên cứu các ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến chất lượng sản phẩm
trong khuôn với kênh dẫn nóng” dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Thái Thị Thu Hà
từ ngày 19/01/2015 đến 14/06/2015.
Tôi xin cam kết đây là luận văn tốt nghiệp cao học do tôi thực hiện. Tôi đã thực
hiện luận văn theo đúng quy định của phòng Đào Tạo Sau Đại Học, Đại Học Bách
Khoa TP.HCM.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với những lời cam kết trên đây.


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH..................................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ............................................... x
CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI.......................................................... 1

1.1.

Nhu cầu về sản phẩm nhựa kỹ thuật .............................................................. 1

1.2.

Giới thiệu về khuôn kênh dẫn nóng............................................................... 3

1.3.

Những vấn đề kỹ thuật cần đặt ra với khn sử dụng kênh dẫn nóng ............ 6

CHƯƠNG 2.
2.1.

TỔNG QUAN TÀI LIỆU........................................................... 8

Tổng quan về áp suất và nhiệt độ trong q trình ép phun. ............................ 8
2.1.1. Đặc tính của dịng chảy nhựa dẻo trong khn ép phun .......................... 8
2.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi áp suất và nhiệt độ trong lịng
khn ............................................................................................................. 11
2.1.2.1. Sự mất cân bằng hình học................................................................. 11
2.1.2.2. Sự mất cân bằng nhiệt ...................................................................... 13
2.1.2.3. Sự mất cân bằng ngẫu nhiên ............................................................. 16

2.2.

Tổng quan về sự ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến chất lượng sản phẩm
................................................................................................................... 18

2.3.

Mục tiêu của luận văn ................................................................................. 26

2.4.

Nội dung thực hiện của luận văn ................................................................. 26

CHƯƠNG 3.

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ KHUÔN CHÉN XÉT

NGHIỆM SỬ DỤNG KÊNH DẪN NÓNG......................................................... 27
3.1.

Sản phẩm chén xét nghiệm y tế ................................................................... 27
3.1.1. Yêu cầu kỹ thuật đối với sản phẩm ....................................................... 28
3.1.2. Tính chất vật liệu của sản phẩm ............................................................ 28

3.2.

Phân tích và lựa chọn các tiêu chí đánh giá chất lượng sản phẩm ................ 29

i

3.3.

Tính tốn và thiết kế khn chén xét nghiệm sử dụng kênh dẫn nóng ......... 32
3.3.1. Thiết kế bộ chia nhựa kênh dẫn nóng .................................................... 34
3.3.1.1. Kết cấu bộ chia nhựa ........................................................................ 34
3.3.1.2. Tính tốn cơng suất gia nhiệt ............................................................ 38
3.3.1.3. Tính tốn sự giãn nở nhiệt ................................................................ 44
3.3.2. Thiết kế đầu phun nhựa ........................................................................ 48
3.3.2.1. Kết cấu bộ đầu phun nhựa ................................................................ 48
3.3.2.2. Tính tốn cơng suất gia nhiệt cho đầu phun ...................................... 55
3.3.2.3. Kiểm soát nhiệt trên đầu phun .......................................................... 58

3.4.

Cấu trúc bộ điều khiển nhiệt độ trong kênh dẫn nóng .................................. 58

3.5.

Mơ phỏng khn chén xét nghiệm sử dụng kênh dẫn nóng. ........................ 60
3.5.1. Giới thiệu về phần mềm mô phỏng Ansys và Moldflow ....................... 60
3.5.2. Mô phỏng sự phân bố nhiệt trên bộ chia nhựa bằng phần mềm Ansys. . 63
3.5.3. Mơ phỏng dịng chảy nhựa dẻo trong quá trình ép phun bằng phần mềm
Moldflow......................................................................................................... 67
3.5.3.1. Mơ hình tốn học của dịng nhựa chảy dẻo ....................................... 68
3.5.3.2. Phân tích và mơ phỏng chén xét nghiệm ........................................... 71

3.6.

Quy trình chế tạo và lắp ráp bộ khn chén xét nghiệm . ............................ 75

3.6.1. Quy trình chế tạo khn chén xét nghiệm ............................................. 75
3.6.2. Quy trình lắp ráp ................................................................................... 79
3.6.3. Các hình ảnh sau khi chế tạo bộ khn chén xét nghiệm....................... 82

CHƯƠNG 4.

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU ....... 83

4.1.

Mục đích thí nghiệm ................................................................................... 83

4.2.

Mơ tả các thiết bị sử dụng trong thực nghiệm.............................................. 83
4.2.1. Máy ép phun ......................................................................................... 83

ii


4.2.2. Bộ điều khiển nhiệt độ .......................................................................... 85
4.2.3. Dụng cụ đo ........................................................................................... 86
4.3.

Phân tích và lựa chọn các thơng số cơng nghệ trong q trình ép ................ 86

4.4.

Đường lối tiến hành thí nghiệm ................................................................... 90

4.5.

Kết quả thí nghiệm...................................................................................... 91
4.5.1. Thực nghiệm đơn yếu tố ....................................................................... 91
4.5.2. Thực nghiệm yếu tố tồn phần .............................................................. 94
4.5.2.1. Phương trình hồi quy của trọng lượng chén xét nghiệm .................... 95
4.5.2.2. Phương trình hồi quy của đường kính chén ...................................... 97
4.5.2.3. Phương trình hồi quy của chiều cao chén.......................................... 98
4.5.3. Đánh giá kết quả ................................................................................... 99
4.5.3.1. Độ chính xác kích thước và trọng lượng. ........................................ 100
4.5.3.2. Mỹ quan sản phẩm. ........................................................................ 102

CHƯƠNG 5.

KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................ 103

5.1.

Các kết quả đạt được................................................................................. 103

5.2.

Các đề nghị và hướng phát triển đề tài ...................................................... 104

DANH MỤC TÀI LIỆU CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ...................................... 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 106
PHỤ LỤC

................................................................................................. 108

iii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Các sản phẩm nhựa ứng dụng trong kỹ thuật.(a) Các bánh răng trong cơ
cấu truyền động, (b) Các chi tiết làm bằng nhựa kỹ thuật trong hệ thống pin ô tô,
(C) Các zắc cắm (connector), (D) Phím bấm điện tử, (E) Bảng điều khiển trong ô tô,
(F) Nắp điện thoại.................................................................................................... 2
Hình 1.2. Các sản phẩm thành mỏng sử dụng trong điện thoại và xe ôtô.................. 3
Hình 1.3. Cấu trúc của hệ thống kênh dẫn [1] .......................................................... 4
Hình 2.1. Ngun lý hình thành dịng chảy trong khn [3]. .................................... 9
Hình 2.2. (a) Biểu đồ giữa tốc độ trượt cắt và độ nhớt của dòng chảy Newton và phi
Newton, (b) Ảnh hưởng của trượt cắt đến hướng và độ nhớt [3] ........................... 10
Hình 2.3. Biểu đồ quan hệ giữa tốc độ trượt cắt, độ nhớt và nhiệt độ của dịng chảy
phi Newton [3] ...................................................................................................... 10
Hình 2.4. Mất cân bằng hình học ........................................................................... 11
Hình 2.5. Sơ đồ bố trí và thiết kế kênh dẫn ............................................................ 13
Hình 2.6. Mất cân bằng nhiệt trong kênh dẫn của tấm chia nhựa ........................... 14
Hình 2.7. Sự phân bố nhiệt độ trên đầu phun của khn có kênh dẫn nóng [11]. ... 15
Hình 2.8. Đường cong nhiệt độ giữa mơ phỏng và thí nghiệm [11]........................ 15
Hình 2.9. Sự mất cân bằng giữa các lịng khn trên khn semi-hot runner có 24
lịng khn. ........................................................................................................... 16
Hình 2.10. Sự mất cân bằng dịng chảy khi cân bằng về hình học và nhiệt [7]. ...... 17
Hình 2.11. Sự trượt cắt khác nhau trên cùng dòng chảy ảnh hưởng đến kết quả là sự
mất cân bằng trong dòng chảy nhựa dẻo [7]........................................................... 18
Hình 2.12. Sản phẩm và vị trí đặt cảm biến [8]. ..................................................... 19
Hình 2.13. Đường cong nhiệt độ biểu diễn độ chênh lệch thời gian điền đầy giữa các
lịng khn ............................................................................................................ 19
Hình 2.14. Trọng lượng sản phẩm trong mỗi lịng khn khi khơng sử dụng hệ
thống giám sát và điều khiển [8]. ........................................................................... 20

Hình 2.15. Đường cong nhiệt độ biểu diễn sự mất cân bằng dòng chảy [8] ............ 21

iv


Hình 2.16. So sánh độ sai lệch chuẩn của khối lượng các sản phẩm trong 4 lịng
khn [8] ............................................................................................................... 21
Hình 2.17. Điều khiển độc lập đường cong áp suất trong mỗi lịng khn ............. 22
Hình 2.18. (a) Mơ hình điều khiển của phương pháp này (b) Sơ đồ khối [9] .......... 22
Hình 2.19. Bản vẽ khay đầu ra của máy in [9] ....................................................... 23
Hình 2.20. Các kết quả thực nghiệm trong 2 trường hợp [9] .................................. 25
Hình 3.1. Bản vẽ sản phẩm chén xét nghiệm y tế ................................................... 27
Hình 3.2. Đường cong ứng suất-biến dạng theo thời gian chịu tải trọng của vật liệu
ABS ...................................................................................................................... 30
Hình 3.3. (a) Sản phẩm bị kéo chỉ và đuôi kim , (b) Bị đuôi kim ........................... 31
Hình 3.4. Sản phẩm bị ố mờ và cháy vàng ............................................................. 32
Hình 3.5. Kết cấu khn chén xét nghiệm y tế ....................................................... 34
Hình 3.6. Sự phân bố nhiệt của 2 tấm chia nhựa có kết cấu khác nhau ................... 35
Hình 3.7. Các Sơ đồ bố trí chén xét nghiệm trên khn. ........................................ 36
Hình 3.8. Kết cấu tấm chia nhựa ............................................................................ 37
Hình 3.9. (a) Vị trí dịng chảy bị tù, (b) Xử lý góc rẽ nhựa trên tấm chia nhựa [3]. 37
Hình 3.10. Mơ hình truyền nhiệt của tấm chia nhựa trong khn ........................... 41
Hình 3.11. Toạ độ của các lỗ trên tấm chia nhựa khi ở trạng thái nóng và lạnh ...... 45
Hình 3.12. Sơ đồ tính tốn giãn nở nhiệt theo phương Z ........................................ 46
Hình 3.13. Các loại đầu phun theo phương pháp gia nhiệt ..................................... 49
Hình 3.14. Các loại đầu phun theo kiểu miệng phun .............................................. 51
Hình 3.15. Cấu tạo bộ đầu phun trong khn chén xét nghiệm y tế........................ 53
Hình 3.16. Điện trở gia nhiệt đầu phun trong khn chén xét nghiệm .................... 58
Hình 3.17. Biểu đồ đo nhiệt độ của một bộ điều khiển nhiệt độ theo dạng role
tắt/mở .................................................................................................................... 59

Hình 3.18. Biểu đồ đo nhiệt độ của một bộ điều khiển nhiệt độ theo dạng PID ...... 60
Hình 3.19. Quy trình phát triển sản phẩm .............................................................. 61
Hình 3.20. Sự phân bố nhiệt độ trong kênh dẫn nhựa của 2 tấm chia nhựa có hình
dáng khác nhau. ..................................................................................................... 63

v


Hình 3.21. Quy trình các bước phân tích của q trình mơ phỏng sự phân bố nhiệt
trên tấm chia nhựa và đầu phun ............................................................................. 64
Hình 3.22. Xây dựng mơ hình hóa sự phân bố nhiệt độ của khn chén xét nghiệm
.............................................................................................................................. 65
Hình 3.23. Thiết lập nhiệt độ đầu vào cho tấm chia nhựa và đầu phun ................... 66
Hình 3.24. Sự phân bố nhiệt trên bề mặt ngoài của tấm chia nhựa ......................... 66
Hình 3.25. Sự phân bố nhiệt trên các kênh dẫn nhựa của tấm chia nhựa ................ 67
Hình 3.26. Đường cong áp suất trong lịng khn [5]. ........................................... 68
Hình 3.27. Quy trình các bước phân tích của q trình phân tích các giai đoạn trong
ép phun.................................................................................................................. 71
Hình 3.28. Mơ hình hóa của khn chén xét nghiệm có xét đến sự truyền nhiệt của
bề mặt các tấm khn. ........................................................................................... 72
Hình 3.29. (a) Thời gian điền đầy tại mỗi vị trí trên sản phẩm và nhiệt độ phía trước
dịng chảy trong lịng khn. ................................................................................. 73
Hình 3.30. Sự phân bố độ co rút thể tích và đường cong lực kẹp theo thời gian. .... 73
Hình 3.31. Kết quả phân tích hệ thống làm nguội .................................................. 74
Hình 3.32. Dự đốn thời gian có thể lói sản phẩm. ................................................ 74
Hình 3.33. Kết quả phân tích sự biến dạng ............................................................ 75
Hình 3.34. Bản vẽ tấm chia nhựa ........................................................................... 76
Hình 3.35. Quy trình chế tạo tấm tấm chia nhựa .................................................... 76
Hình 3.36. Bản vẽ bạc ghép tấm chia nhựa ............................................................ 77
Hình 3.37. Quy trình chế tạo bạc ghép tấm chia nhựa. ........................................... 77

Hình 3.38. Bản vẽ thân đầu phun ........................................................................... 78
Hình 3.39. Quy trình chế tạo thân đầu phun ........................................................... 78
Hình 3.40. Bản vẽ ty ngắt. ..................................................................................... 79
Hình 3.41. Quy trình chế tạo ty ngắt ...................................................................... 79
Hình 3.42. Khn được tách ra thành 2 cụm chính khi lắp ráp ............................... 80
Hình 3.43. (a) Cụm khn bên dương, (b) Cụm khn bên âm .............................. 82
Hình 3.44. Bộ khn chén xét nghiệm y tế ............................................................ 82
Hình 4.1. Máy ép Sumitomo loại SG150U ............................................................ 84

vi


Hình 4.2. Bộ điều khiển nhiệt độ dùng trong khn ............................................... 86
Hình 4.3. Mối quan hệ gữa các yếu tố trên đến áp suất phun[5]. ............................ 88
Hình 4.4. Đường cong biểu diển ảnh hưởng của áp suất và thời gian nén giữ đến
trọng lượng sản phẩm nhựa [5]. ............................................................................. 89
Hình 4.5. Thực nghiệm đơn yếu tố của trọng lượng khi nhiệt độ thay đổi .............. 92
Hình 4.6. Thực nghiệm đơn yếu tố của đường kính chén khi nhiệt độ thay đổi ...... 93
Hình 4.7. Thực nghiệm đơn yếu tố của đường kính chén khi nhiệt độ thay đổi ...... 93
Hình 4.8. Thực nghiệm đơn yếu tố của trọng lượng khi áp suất nén giữ thay đổi ... 93
Hình 4.9. Thực nghiệm đơn yếu tố của đường kính khi áp suất nén giữ thay đổi ... 94
Hình 4.10. Thực nghiệm đơn yếu tố của đường kính khi áp suất nén giữ thay đổi.. 94
Hình 4.11. Mối quan hệ của áp suất và nhiệt độ đến trọng lượng. ........................ 100
Hình 4.12. Mối quan hệ của áp suất và nhiệt độ đến chiều cao chén. ................... 101
Hình 4.13. Mối quan hệ của áp suất và nhiệt độ đến đường kính chén. ................ 101
Hình 4.14. Chén xét nghiệm sau khi thí nghiệm .................................................. 102
Hình 4.15. Khuyết tật trên chén xét nghiệm khi nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp .. 102

vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Tỉ số cho phép giữa chiều dài dòng chảy và độ dày thành ........................ 2
Bảng 1.2. Các thuận lợi và hạn chế của khuôn kênh dẫn nóng [1]............................ 5
Bảng 2.1. Các thơng số ép cho 8 lần thử nghiệm [9]. ............................................. 24
Bảng 2.2. Độ sai lệch chuẩn của kích thước trong cả 2 trường hợp [9]................... 25
Bảng 3.1 Tính chất cơ học và các thơng số ép của vật liệu nhựa PS-525 ................ 29
Bảng 3.2. Xác định số lịng khn trong khn chén xét nghiệm ........................... 33
Bảng 3.3. Các tính chất đặc trưng của thép 2311 ................................................... 38
Bảng 3.4. Năng lượng gia nhiệt trong giai đoạn 1 .................................................. 40
Bảng 3.5. Kết quả tính tốn truyền nhiệt trên tấm chia nhựa khuôn chén xét nghiệm
.............................................................................................................................. 43
Bảng 3.6. Thông số đện trở do nhà cung cấp Roxfil............................................... 44
Bảng 3.7. Tính tốn sự giãn nở nhiệt cho khn chén xét nghiệm.......................... 47
Bảng 3.8. Các ưu điểm và hạn chế của các loại đầu phun theo phương pháp gia
nhiệt ...................................................................................................................... 49
Bảng 3.9. Các ưu điểm và hạn chế của các loại đầu phun theo kiểu miệng phun .... 52
Bảng 3.10. Năng lượng gia nhiệt trên đầu phun ..................................................... 56
Bảng 3.11. Kết quả tính tốn truyền nhiệt trên đầu phun........................................ 57
Bảng 4.1. Thông số máy Sumitomo SG150U ........................................................ 84
Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật của bộ điều khiển nhiệt độ IBS sử dụng trong khuôn
chén xét nghiệm .................................................................................................... 85
Bảng 4.3. Thông số áp suất và nhiệt độ với các trường hợp khác nhau .................. 90
Bảng 4.4. Kết quả thí nghiệm của khuôn chén xét nghiệm ..................................... 91
Bảng 4.5. Khảo nghiệm đơn yếu tố khi nhiệt độ ép thay đổi .................................. 92
Bảng 4.6. Khảo nghiệm đơn yếu tố khi áp suất nén giữ thay đổi ............................ 92
Bảng 4.7. Bảng mã hóa thông số đầu vào .............................................................. 95
Bảng 4.8. Ma trận quy hoạch ................................................................................. 95
Bảng 4.9. Các số liệu để tính tốn ti của phương trình hồi quy y1 ........................... 96
Bảng 4.10. Kết quả tính tốn ti của phương trình hồi quy y1 .................................. 96

viii


Bảng 4.11. Kết quả tính tốn Ft và Fb của phương trình hồi quy y1 ........................ 96
Bảng 4.12. Các số liệu để tính tốn ti của phương trình hồi quy y2 ......................... 97
Bảng 4.13. Kết quả tính tốn ti của phương trình hồi quy y2 .................................. 97
Bảng 4.14. Kết quả tính tốn Ft và Fb của phương trình hồi quy y1 ........................ 98
Bảng 4.15. Các số liệu để tính tốn ti của phương trình hồi quy y3 ......................... 99
Bảng 4.16. Kết quả tính tốn ti của phương trình hồi quy y3 .................................. 99

ix


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
PS:

Polystyrene

POM:

Polyoxymethylene

ABS:

Acrylonitrile Butadiene Styrene

PA:

Polyamide

PC:

Polycarbonate

PPS:

Polyphenylsulfid

CAD:

Computer Aided Design

CAE:

Computer Aided Engineering

FEM:

Finite Element Method

HR:

Hot Runner

ASTM:

American Society For Testing And Material

PTHQ:

Phương Trình Hồi Quy

x


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI
1.1.

Nhu cầu về sản phẩm nhựa kỹ thuật
Xã hội hiện đại, đi kèm theo đó là sự phát triển khơng ngừng của ngành cơng

nghiệp nhựa đối với các mặt hàng như: tiêu dùng, thiết bị y tế, thiết bị điện tử, các
sản phẩm công nghệ cao….. Điều đáng quan tâm là ngành công nghiệp nhựa có
những ưu điểm vượt trội so với các ngành công nghiệp khác như: sản xuất với số
lượng lớn, chủng loại sản phẩm đa dạng, giá thành sản phẩm thấp, khả năng tự động
hóa cao, độ chính xác tương đối cao, kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ có thể
phục vụ trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong Ngành cơng nghiệp nhựa, có nhiều
cơng nghệ khác nhau được sử dụng như: công nghệ nén-phun, đùn thổi, đùn, thổi,
ép phun…… Trong đó cơng nghệ ép phun là 1 trong những công nghệ được sử
dụng rộng rãi nhất cho sản xuất hàng loạt lớn với các chi tiết có hình dáng phức tạp
và độ chính xác cao. Chính vì vậy mà hiện nay các nước đang có xu hướng phát
triển các công nghệ, các khoa học kỹ thuật hiện đại để thay thế các sản phẩm được
làm bằng các vật liệu truyền thống sang các sản phẩm nhựa có độ chính xác cực kì
cao và kích thước nhỏ gọn, điển hình là các sản phẩm nhựa kỹ thuật. Lý do mà các
nhà sản xuất muốn thay đổi chính là các sản phẩm nhựa kỹ thuật có độ chính xác
cao hơn nhiều so với các sản phẩm nhựa gia dụng và mỹ phẩm, tạo hình dễ dàng
cho các sản phẩm có hình dáng cực kỳ phức tạp mà hầu như các công nghệ khác
khơng thể hoặc có thì củng phải tiêu tốn một chi phí khá cao, trọng lượng và kích
thước nhỏ gọn nhưng vẫn đảm bảo được độ bền, độ va đập để chịu được các tải

trọng tĩnh hoặc động trong q trình làm việc, độ bóng bề mặt cao và đa dạng về
màu sắc, năng suất sản phẩm là khá cao…Một số nhựa được đưa vào nhóm là nhựa
kỹ thuật được dùng để chế tạo các sản phẩm có hình dáng khác nhau như :POM,
PS, ABS, PA, PC, PPS ….. Dưới đây sẽ trình bày một số sản phẩm nhựa kỹ thuật
điển hình.

HVTH: Nguyễn Hùng Dũng

1

MSHV: 12040464


Hình 1.1. Các sản phẩm nhựa ứng dụng trong kỹ thuật.(a) Các bánh răng trong cơ
cấu truyền động, (b) Các chi tiết làm bằng nhựa kỹ thuật trong hệ thống pin ơ tơ,
(C) Các zắc cắm (connector), (D) Phím bấm điện tử, (E) Bảng điều khiển trong ô tô,
(F) Nắp điện thoại.
Ngồi ra, theo nhu cầu hiện nay ln có xu hướng sản xuất các sản phẩm có
trọng lượng nhẹ bằng cách giảm độ dày thành sản phẩm hay còn được gọi là sản
phẩm thành mỏng để giảm chí phí nguyên vật liệu nhựa mà vẫn đáp ứng được các
yêu cầu về độ bền, độ dai va đập. Thông thường các sản phẩm được gọi là thành
mỏng khi đạt một trong 2 yếu tố sau: độ dày thành sản phẩm nhỏ hơn 1mm hoặc tỷ
lệ giữa chiều dài dòng chảy và độ dày thành không được lớn hơn giá trị cho phép.
Giá trị này được quy định tùy thuộc vào mỗi loại vật liệu nhựa.
Bảng 1.1. Tỉ số cho phép giữa chiều dài dòng chảy và độ dày thành

HVTH: Nguyễn Hùng Dũng

2

MSHV: 12040464


Hình 1.2. Các sản phẩm thành mỏng sử dụng trong điện thoại và xe ôtô
Dựa trên những ưu điểm vượt trội của các sản phẩm nhựa kỹ thuật và các sản
phẩm thành mỏng thì đây là những đối tượng chính mà các nhà sản xuất sẽ nhắm tới
để cung cấp cho thị trường các sản phẩm nhựa chất lượng cao với chi phí hợp lý
nhất.
1.2.

Giới thiệu về khn kênh dẫn nóng
Trong những năm qua, nhiều hệ thống mới được phát triển để nâng cao chất

lượng sản phẩm và giảm thời gian sản xuất trong công nghệ ép phun. Đặc biệt là có
thể mở rộng khả năng cơng nghệ để chế tạo các sản phẩm thành mỏng. Một trong
những hệ thống mới đó chính là hệ thống kênh dẫn nóng .
Hệ thống kênh dẫn nóng được phát minh cách đây khá lâu vào năm 1940 tại
Mỹ [6], nhưng cho tới những năm 1980 chúng mới được sử dụng phổ biến vì giá
thành các vật liệu nhựa tăng cao và hệ thống kênh dẫn nóng ngày càng được hồn
thiện, chính vì những lý do đó đã buộc các nhà sản xuất phải áp dụng hệ thống mới
này nhằm tăng chất lượng sản phẩm và giảm chí phí sản xuất để đạt tính kinh tế cao
hơn. Trước khi bắt đầu thiết kế một hệ thống kênh dẫn nóng, điều đầu tiên là phải
hiểu thế nào là hệ thống kênh dẫn nóng.

HVTH: Nguyễn Hùng Dũng

3

MSHV: 12040464

Theo tài liệu [6] thì hệ thống kênh dẫn nóng là một hệ thống liên kết giữa vòi
phun của máy ép với miệng phun của khuôn để cung cấp vật liệu nhựa ln ở trạng
thái chảy dẻo vào trong lịng khuôn. Điểm khác nhau so với kênh dẫn nguội trong
các khn truyền thống là trong hệ thống kênh dẫn nóng sẽ có bộ phận gia nhiệt cho
cuống phun và các nhánh phun để đưa nhựa chảy dẻo đến các lòng khn. Sử dụng
hệ thống kênh dẫn nóng sẽ bỏ đi giai đoạn đẩy hệ thống kênh dẫn nhựa và cuống
phun ra khỏi khuôn . Cấu trúc cơ bản của một hệ thống kênh dẫn nóng như Hình 1.3

Hình 1.3. Cấu trúc của hệ thống kênh dẫn [1]
Khi nhà sản xuất muốn đầu tư vào bất kỳ một hệ thống mới nào, điều đầu tiên
mà họ quan tâm nhất đó chính là những thuận lợi và những hạn chế về khía cạnh
kinh tế lẫn khía cạnh kỹ thuật của hệ thống đó. Hệ thống kênh dẫn nóng cũng khơng
ngoại lệ. Sau đây sẽ trình bày những thuận lợi và hạn chế của hệ thống này thông
qua Bảng 1.2.

HVTH: Nguyễn Hùng Dũng

4

MSHV: 12040464


Bảng 1.2. Các thuận lợi và hạn chế của khuôn kênh dẫn nóng [1]
KHÍA CẠNH

THUẬN LỢI

HẠN CHẾ

- Tiết kiệm ngun vật liệu do

- Kết cấu khn phức tạp

khơng hình thành cuống phun nên chi phí cao hơn.
và khơng tốn chi phí tái chế

- Các q trình vận hành

nhựa cuống phun như kênh dẫn hệ thống phức tạp hơn đòi
hỏi người thợ vận hành

nguội.

- Thời gian của chu trình ép máy có tay nghề cao hơn.
phun ngắn hơn, do thời gian - Chi phí lắp đặt, bảo trì
điền đầy ngắn hơn (khơng điền cao (chống rị rỉ nhựa, dễ
đầy hệ thống kênh dẫn sau mỗi hư các thiết bị gia nhiệt,
Kinh Tế

chu kỳ), không tốn thời gian các đầu phun dễ bị mài
làm nguội hệ thống kênh dẫn mòn khi sản xuất nhiều).
và rút cuống phun, hành trình
khn ngắn hơn.
- Máy phun có thể nhỏ hơn vì
thể tích chung quanh kênh
nóng giảm (giảm lượng nhựa
điền đầy hệ thống kênh dẫn),
và do lực kẹp nhỏ hơn vì bộ
chia nhựa đóng kín (khơng hở

như hệ thống kênh dẫn nguội ).
- Q trình có khả năng tự

- Có khả năng làm biến

động hóa cao hơn do khơng tính vật liệu nhựa do nhiệt
phải tách nhựa điền đầy trong ,đặc biệt đối với các loại
Kỹ Thuật

nhựa nhạy với nhiệt độ,

hệ thống kênh dẫn.

- Các miệng phun có thể được khi dịng chảy dài và thời
đặt tại vị trí phù hợp nhất vì gian lưu lại của nhựa trong
đường dẫn nhựa có thể dài hơn kênh dẫn lâu trong trường

HVTH: Nguyễn Hùng Dũng

5

MSHV: 12040464


khi đã kiểm sốt nhiệt tốt .

hợp chu trình ép phun dài.

- Sụt áp sẽ giảm tối thiểu do

- Cần q trình kiểm sốt

nhựa trong kênh dẫn ln được nhiệt độ phức tạp vì nếu
bảo đảm ở trạng thái nóng không sẽ tạo các vùng
nhiệt độ không đồng đều,

chảy.

- Khả năng cân bằng dịng chảy làm q trình điền đầy
được tác động thông qua điều không đều và sinh ra nhiều
khiển nhiệt độ hay bằng những vấn đề khác.
cơ cấu đặc biệt.
- Q trình điền đầy lịng
khn hiệu quả hơn nhờ sử
dụng đầu phun dạng van, các
hệ thống miệng phun nối tiếp.
- Hành trình mở khn ngắn
hơn.
- Áp suất duy trì tốt hơn nên
sản phẩm ít bị cong vênh.

1.3.

Những vấn đề kỹ thuật cần đặt ra với khuôn sử dụng kênh dẫn nóng
Từ Bảng 1.2 ta có thể thấy cơng nghệ HR có rất nhiều ưu việt đem lại hiệu quả

và chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp nhựa là rất lớn nhưng theo sau đó
vẫn cịn một số hạn chế cố hữu khi sử dụng khn HR. Chính vì thế mà nhiều năm
qua các nhà sản xuất và chế tạo đã đặt ra những yêu cầu khắt khe khi thiết kế, chế
tạo và bảo trì hệ thống để khắc phục hoặc giảm các yếu tố gây ra những hạn chế

trong khuôn HR như sau:
Vật liệu chế tạo tấm chia nhựa và đầu phun phải có độ cứng tương đối, độ
bền và khả năng chịu nhiệt cao vì áp suất phun tác động đến các kênh dẫn có
thể lớn hơn 300 MPA. Nếu khơng đủ độ bền thì sẽ xảy ra các biến dạng và tại

HVTH: Nguyễn Hùng Dũng

6

MSHV: 12040464


các vị trí lắp ráp trong hệ thống HR có thể gây ra sự rò rỉ qua các khe hở nhỏ
nhất, hoặc tạo ra các khe hở mà không tồn tại trước đó. Ngồi ra, các vật liệu
này cịn phải có hệ số dẫn nhiệt thấp để hạn chế sự mất mát nhiệt và hao tổn
công suất tiêu thụ điện. Ngày nay khn kênh dẫn nóng thường được gắn kèm
với các tấm cách nhiệt để hạn chế tối đa sự mất mát nhiệt.
Tính tốn chính xác cơng suất gia nhiệt và sự giãn nở nhiệt của đầu phun
và tấm chia nhựa để nhựa luôn đạt đến nhiệt độ chảy dẻo như mong muốn và
đảm bảo khe hở lắp ráp giữa các chi tiết trong hệ thống khi ở trạng thái nóng
sẽ tránh đi việc gây rị rĩ nhựa ra bên ngồi. Ngồi ra, cần phải xác định chính
xác vị trí đặt cảm biến nhiệt độ trên tấm chia nhựa và đầu phun để đảm bảo
nhiệt độ không quá cao hoặc quá thấp trên các vị trí khác nhau.
Đường kính và nhiệt độ miệng phun của khuôn HR phải được thiết kế và
kiểm soát thật tốt để đảm bảo nhiệt độ tại miệng phun đủ cao mà khơng xảy ra
tình trạng bị kéo chỉ, bị nghẹt tại thời điểm đưa nhựa chảy dẻo vào lịng
khn. Đồng thời nhiệt độ tại miệng phun đủ thấp để nhựa tạo ra các lớp đông
đặc để ngăn cản nhựa chảy ra ngoài tại thời điểm mở khuôn. Nhiệt độ miệng
phun quá cao sẽ tạo ứng suất dư trên vùng gần miệng phun và ảnh hưởng đến
độ bền sản phẩm.

Thiết kế và chế tạo kênh dẫn nhựa phải luôn ở trạng thái cân bằng tự nhiên
hạn chế việc cân bằng lưu biến trừ khi có yêu cầu đặc biệt. Cuối cùng, xem xét
quan trọng nhất là kích thước kênh dẫn nhựa. Kích thước khơng đúng làm
giảm tốc độ dòng chảy, suy biến vật liệu và ảnh hưởng đến sản phẩm cuối
cùng. Các tiêu chí cho việc chọn kích thước là:
- Sự mất mát áp suất phải ít hơn 25% khả năng của máy.
- Nhiệt độ ép lớn nhất cần thấp hơn nhiệt độ tối đa của nhựa khoảng 15 –
200C.
- Thời gian lưu trú của vật liệu nên thấp hơn thời gian yêu cầu cho một lần
phun. Thông thường thấp hơn 10-20% thời gian làm cho vật liệu bị suy biến
ở một nhiệt độ nào đó.

HVTH: Nguyễn Hùng Dũng

7

MSHV: 12040464


CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Trong những năm gần đây thì 2 thơng số trong q trình ép phun đó là nhiệt
độ và áp suất được rất nhiều nhà nghiên cứu trong và trên thế giới quan tâm và đưa
ra nhiều bài báo, các luận văn trên các hội nghị khoa học, các trường đại học hoặc
các viện nghiên cứu. Chính vì thế trong chương này sẽ lần lượt trình bày các nghiên
cứu liên quan đến sự thay đổi áp suất và nhiệt độ giữa các lịng khn và những ảnh
hưởng của chúng đến chất lượng sản phẩm. Ngoài ra cịn trình bày các cơng nghệ
mới được sử dụng đề hỗ trợ cho việc tính tốn, thiết kế và tối ưu 2 thơng số này
trong khn kênh dẫn nóng, áp suất, nhiệt độ.
2.1.

Tổng quan về áp suất và nhiệt độ trong q trình ép phun.

2.1.1. Đặc tính của dịng chảy nhựa dẻo trong khn ép phun
Dịng chảy nhựa dẻo trong lịng khn là một dịng chảy khá phức tạp, nó
hồn toàn khác so với các chất lỏng như: nước, dầu …. Chính vì vậy khi hiểu rõ về
các đặc điểm riêng của dịng chảy nhựa trong lịng khn thì khi đó ta mới kiểm
sốt và nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa ngay trong q trình sản xuất. Dịng
chảy nhựa dẻo có 2 tính chất quan trọng đó là: ngun lý hình thành dịng chảy
trong khn và độ nhớt. Sau đây sẽ trình bày tính chất đầu tiên chính là :
Ngun lý hình thành dịng chảy trong khn:
Trong q trình ép phun, vật liệu nhựa thể hiện một ứng xử đặc biệt mà không
cần phụ thuộc vào hệ thống kênh dẫn được sử dụng trong khuôn, điều này được gọi
là “Fountain Flow”. Theo tài liệu [3] đã mơ tả dịng chảy trong khuôn như sau: khi
vật liệu nhựa đầu tiên được đưa vào trong khn khi đó sẽ xuất hiện một lớp nhựa
trên thành khuôn và các vật liệu nhựa dẻo tiếp theo sẽ đi xuyên qua các lớp vật liệu
nhựa dẻo trước đó và vượt lên đến phía trước dòng chảy, kết quả là sẽ ép các lớp
dòng chảy vào thành của các kênh dẫn. Điều này sẽ gây ra đó chính là các lớp dịng
chảy ở gần tâm sẽ chảy nhanh hơn. Kết quả là sẽ tạo ra một vận tốc có hình dáng
giống parabolic. Khi đó tốc độ trượt cắt của vật liệu tại phần trung gian giữa thành
khuôn và nhựa chảy dẻo gần như bằng 0. Đối với khuôn hệ thống kênh dẫn nguội,

HVTH: Nguyễn Hùng Dũng

8

MSHV: 12040464


một lớp nhựa nguội được hình thành trên thành khn khi nhựa chảy dẻo tiếp xúc
với thành khn do tính sự chênh lệch nhiệt độ giữa thành khuôn và nhựa chảy dẻo,

nhưng đối với hầu hết khuôn sử dụng kênh dẫn nóng thì lớp nhựa nguội hầu như
khơng hình thành do sự chênh lệch nhiệt độ giữa thành khuôn và nhựa chảy dẻo là
rất nhỏ.

Hình 2.1. Nguyên lý hình thành dịng chảy trong khn [3].
Độ nhớt:
Độ nhớt được tác giả J.P.Beaumont [3] định nghĩa như là sự cản trở đối với
dịng chảy và nó được xác định bởi ứng suất cắt, ứng suất cắt này được xác định
dựa trên tốc độ cắt. Vật liệu nhựa có độ nhớt càng thấp thì sự cản trở dịng chảy
càng ít. Chất lỏng được chia thành 2 loại là: dòng chảy Newton và phi Newton. Khi
thay đổi tốc độ trượt cắt nhưng độ nhớt khơng thay đổi thì được gọi là dịng chảy
Newton, nếu độ nhớt thay đổi thì được gọi là dịng chảy phi Newton. Dịng chảy
nhựa dẻo trong trong khn được gọi là dòng chảy Newton khi tốc độ trượt cắt
thấp, độ nhớt của vật liệu nhựa hầu như không thay đổi giống như dòng chảy
Newton. Tuy nhiên, tại tốc độ trượt cắt cao trong suốt quá trình ép phun thì độ nhớt
thay đổi liên tục, lúc này trở thành dòng chảy phi Newton. Khi đó mối quan hệ giữa
chúng tuân theo định luật chất lỏng hàm mũ hay nói đơn giản là tốc độ trượt cắt
tăng khi đó độ nhớt sẽ giảm. Đối với hầu hết vật liệu nhựa, dòng chảy thực tế trong
q trình ép phun tn theo mơ hình phi Newton nhựa giả (Pseudo-Plastic Newton).
Độ nhớt của chất lỏng phi Newton Pseudo-Plastic sẽ giảm khi tăng tốc độ trượt cắt.
Trái ngược với dòng chảy phi Newton giãn nở (Dilatant) là độ nhớt sẽ tăng khi tăng

HVTH: Nguyễn Hùng Dũng

9

MSHV: 12040464