Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU DÀY SẢN PHẨM VÀ NHIỆT ĐỘ KHUÔN ĐẾN ĐỘ CONG VÊNH CỦA SẢN PHẨM NHỰA POLYPROPYLENE DẠNG TẤM EFFECT OF PART THICKNESS AND MOLD TEMPERATURE ON THE WARPGE OF POLYPROPYLENE PLATE Phạm Sơn Minh 1a, Đỗ Thành Trung1b, Trần Minh Thế Uyên1c, Phan Thế Nhân2d Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Cao đẳng Nghề Kỹ thuật Công nghệ TPHCM a minhps@hcmute.edu.vn; btrungdt@hcmute.edu.vn c uyentmt@hcmute.edu.vn; dphanthenhan150479@gmail.com TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, quy trình ép phun mẫu thử nhựa dạng mỏng mô hình hóa mô với giá trị nhiệt độ khuôn thay đổi từ 30oC đến 90oC Bên cạnh đó, chiều dày mẫu thử thay đổi nhằm quan sát ảnh hưởng độ dày đến độ cong vênh sản phẩm Sau đó, mô hình khuôn ép phun gia công, lắp ráp hoàn chỉnh tiến hành ép phun sản phẩm nhựa nhiệt độ khuôn 40oC chiều dày mẫu thử 1,0 mm; 1,5 mm; 2,0 mm 2,5 mm Kết cho thấy, thay đổi nhiệt độ khuôn, độ cong vênh mẫu thử thay đổi không đáng kể Tuy nhiên, tăng chiều dày mẫu thử từ 1,0 mm đến 2,5 mm, độ cong vênh giảm từ 1,59 mm xuống 0,27 mm Từ khóa: khuôn ép nhựa, nhiệt độ khuôn, độ cong vênh ABSTRACT In this paper, an injection molding plate is simulated with the change of mold temperature from 30oC to 90oC Beside that, the part thickness is also varied for observing the change of plate warpage After that, the experiment is achieved for verifying the acurancy of simulation results with the 40 oC mold temperature and types of plate thickness: 1,0 mm; 1,5mm; 2,0 mm and 2,5 mm Results show that the increase of mold temperature have not effect strongly on the plate warpage However, when the plate thickness rises from 1,0 mm to 2,5 mm, the plate warpage is reduced from 1,59 mm to 0,27 mm Keywords: Injection molding, mold temperature, plate warpage GIỚI THIỆU Trong lĩnh vực ép phun Việt Nam, nghiên cứu lĩnh vực nhựa có định hướng tối ưu hóa trình điều khiển nhiệt độ cho khuôn ép phun, nhằm giải toán chất lượng sản phẩm trình ép phun Trong trình ép phun, nhiệt độ khuôn điều chỉnh tối ưu, trình ép phun nhựa hạn chế khuyết tật thường gặp, đạt ưu điểm như: giảm áp suất phun, giảm ứng suất dư, hạn chế bất đẳng hướng phân tử (molecular orientation),… [1] Một ưu điểm bật trình điều khiển nhiệt độ khuôn khả hạn chế độ cong vênh sản phẩm nhựa Trong nghiên cứu trước đây, Chen Young [2] nghiên cứu ảnh hưởng thông số ép phun đến tượng co rút sản phẩm đĩa CD Kết nghiên cứu cho thấy với nhiệt độ khuôn cao 40oC, áp suất phun (filling pressure) giảm rõ rệt Tuy nhiên, nghiên cứu này, nhiệt độ khuôn nghiên cứu thông qua giá trị: 20oC; 40oC 60oC Ngoài ra, nghiên cứu tập trung phân tích ảnh hưởng áp suất phun đến độ cong vênh đĩa CD Sau đó, nghiên cứu Kang [3], mật độ khúc xạ (birefringence) thấu kính sau trình ép phun phân tích ứng với thông số ép phun khác 536 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Kết cho thấy tính khúc xạ thấu kính bị ảnh hưởng nhiều nhiệt độ khuôn trình ép phun, trình giải nhiệt sản phẩm Cũng lĩnh vực điều khiển nhiệt độ khuôn ép phun, tác giả Wu Su[4]đã tập trung so sánh độ cong vênh dẫn ánh sáng (light guide plate) phương pháp ép phun (injection molding) phương pháp phun-nén-ép (Injection-Compression molding) sử dụng Kết cho thấy phương pháp phun-nén-ép hạn chế độ co rút sản phẩm khoảng 10%; đặc biệt, tỉ lệ co rút cải thiện đáng kể với trường hợp có nhiệt độ khuôn cao Bên cạnh thí nghiệm nêu trên, độ co rút sản phẩm nhựa nghiên cứu thông qua phương pháp mô Trong nghiên cứu Kim [3], tính khúc xạ ứng suất dư sản phẩm sau trình ép phun dự đoán xác phương pháp mô số Trong trình mô phỏng, mô hình toán học thường sử dụng như: đàn hồi nhớt phi tuyến cho chất lỏng (nonlinear viscoelastic fluid model), quy luật ứng suất quang học (Stress – optical), đàn hồi nhớt tuyến tính cho vật thể rắn (linear viscoelastic solid model)… [5] Với phương pháp mô phỏng, Young [2] tìm hiểu ảnh hưởng điều kiện ép phun đến ứng suất dư trình co rút sản phẩm nhựa sau lấy khỏi khuôn Với nghiên cứu này, Young dùng sản phẩm ép phun thấu kính có chiều dày lớn Thông qua trình nghiên cứu, Young thấy nhiệt độ khuôn yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ co rút thấu kính Hiện nay, công ty nhựa Việt Nam, kỹ sư bắt đầu tiếp cận với phương pháp mô nhằm dự đoán trước khuyết tật sản phẩm nhựa nhằm có phương án giải thích hợp Một số khuyết tật thường gặp Việt Nam độ cong vênh sản phẩm vượt giới hạn cho phép [6, 7] Trong nghiên cứu trước chất lượng sản phẩm, thay đổi nhiệt độ chiều dày sản phẩm yếu tố quan trọng Tuy nhiên, thông số nhiệt độ khuôn chiều dày sản phẩm chưa xem xét nhiều trình thiết kế quy trình ép phun nhựa Mặt khác, lĩnh vực điều khiển nhiệt độ khuôn hiểu thực theo hướng giải nhiệt cho khuôn, với mục tiêu quan trọng là: làm nguội khuôn thời gian ngắn Ngược lại, trình gia nhiệt cho khuôn chưa quan tâm mức Do đó, thực trạng sản xuất sản phẩm nhựa Việt Nam dừng lại nhóm sản phẩm đơn giản, chất lượng chưa cao, chủ yếu tập trung vào lĩnh vực hàng tiêu dùng Ngược lại, với quy trình ép phun ứng dụng nước ngoài, điều khiển nhiệt độ khuôn tối ưu phương pháp hiệu nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm [8- 11] Nhìn chung, nhiệt độ bề mặt lòng khuôn cao, trình điền đầy nhựa dễ dàng hơn, hầu hết trường hợp, chất lượng bề mặt sản phẩm cải thiện đáng kể Tuy nhiên, nhiệt độ khuôn tăng cao, trình giải nhiệt khuôn nhựa bị kéo dài, chu kỳ ép phun tốn nhiều thời gian, giá thành sản phẩm gia tăng Vì vậy, mục tiêu quan trọng trình điều khiển nhiệt độ khuôn ép phun là: xác định giá trị nhiệt độ khuôn thích hợp, nhằm đảm bảo trình điền đầy khuôn tiến hành thuận tiện, phải đảm bảo nhiệt độ sản sản phẩm thời điểm mở khuôn đủ thấp, nhằm khống chế tượng cong vênh sản phẩm Qua phân tích nêu trên, tượng co rút cong vênh yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm ép nhựa Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ co rút sản phẩm vật liệu ép, thông số ép phun, thiết kế sản phẩm, thiết kế khuôn,… ảnh hưởng chiều dày sản phẩm nhiệt độ khuôn chưa nghiên cứu nhiều Trong báo nêu trên, nhiệt độ khuôn xem thông số phụ trình nghiên cứu [1 - 4] Do đó, báo này, nhiệt độ khuôn nghiên cứu chi tiết Các kết trình cong vênh tổng hợp so sánh với chiều dày sản phẩm khác Ngoài ra, nghiên cứu này, trình ép phun nghiên cứu thông qua phương pháp thí nghiệm phương pháp mô với phần mềm Moldflow 6.0 Sau đó, kết mô kết thí nghiệm tổng hợp so sánh 537 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM Trong nghiên cứu này, nhựa Polypropylene (PP) sử dụng trình thí nghiệm mô Các thông số ép phun trình bày Bảng Trong trình thí nghiệm, nhiệt độ nhựa nóng chảy điều chỉnh 200oC; thời gian điền đầy khuôn: 1s, thời gian định hình: 5s, áp suất phun áp suất định hình điều chỉnh 100 MPa, thời gian giải nhiệt 15s Với mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ khuôn đến độ cong vênh sản phẩm nhựa, sản phẩm ép phun dạng hình chữ nhật thiết kế với kích thước 30 mm x 150 mm, chiều dày thay đổi từ 1,0 mm; 1,5 mm; 2,0 mm; và2,5mm Ngoài ra, trình ép phun, với hỗ trợ thiết bị điều khiển nhiệt độ khuôn nước, với loại chiều dày sản phẩm, mức nhiệt độ khuôn tiến hành thí nghiệm: 30 oC; 40 oC; 50 oC; 60 oC; 70 oC;80 oC; 90 oC Ứng với trường hợp nhiệt độ khuôn, 20 chu kỳ ép phun tiến hành ép thử nhằm đảm bảo hệ thống đạt trạng thái ổn định Sau đó, 10 chu kỳ tiến hành thu thập mẫu cho trình đo độ cong vênh Độ cong vênh sản phẩm tiến hành đo Hình Ứng với loại nhiệt độ khuôn chiều dày sản phẩm, độ cong vênh 10 mẫu đo, giá trị trung bình lần đo sử dụng nhằm so sánh phân tích với trường hợp khác Tấm phẳng cong vênh D (mm) Nhằm phục vụ cho trình ép phun mẫu đo cong vênh, khuôn ép phun Hình sử dụng với chức chi tiết sau: Tấm phẳng không cong vênh Hình Độ cong vênh sản phẩm (D) Bảng Thông số ép phun nhựa Polypropylene (PP) Thông số phun ép Nhiệt độ nhựa 149 - 250 °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 Độ ẩm cho phép 0,010 – 0,150 % Áp suất phun 4,14 - 130 MPa • Tấm A: tạo hình cho sản phẩm chứa bạc cuống phun • Tấm B: tạo hình cho sản phẩm • Tấm T: giữ chặt phần cố định khuôn vào máy ép nhựa • Tấm L: giữ chặt phần di động khuôn máy ép nhựa • Tấm F: đẩy ty đẩy, để đẩy sản phẩm rời khỏi khuôn • Tấm E: giữ chốt đẩy ty đẩy 538 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV • Gối C: tạo khoảng trống để E Tấm F hoạt động • Kênh giải nhiệt: gồm kênh với đường kính ∅ 10 mm Trong trình chế tạo khuôn, khuôn B gia công Hình Kích thước kênh dẫn ∅6 mm x110 mm, kênh dẫn phụ: ∅6 mm x 42 mm, phun: ∅3 mm x ∅6 mm x L50 mm Trong trình gia công, nhằm phục vụ cho trường hợp cần thay đổi chiều dày sản phẩm, khuôn, lòng khuôn thiết kế gia công Hình Trong nghiên cứu này, khuôn Hình chế tạo nhằm phục vụ cho trình nghiên cứu loại chiều dày khác sản phẩm dạng Tuy nhiên, trình thí nghiệm, ứng với loại chiều dày sản phẩm, bên lòng khuôn điền đầy nhựa Nhằm điều khiển nhiệt độ cho khuôn theo yêu cầu nghiên cứu này, kênh giải nhiệt thiết kế gia công hai khuôn (khuôn âm khuôn dương) Tại thời điểm ban đầu, khuôn nhiệt độ môi trường (khoảng 25 oC) Thông qua thiết bị điều khiển nhiệt độ khuôn, nước có nhiệt độ cao chảy kênh giải nhiệt Trong trình này, nhiệt lượng từ nước có nhiệt độ cao truyền qua khuôn, giúp nâng nhiệt độ khuôn đến giá trị cần thiết Sau khuôn đạt đến nhiệt độ cần thiết cho trình thí nghiệm, quy trình ép phun tiến hành Khi nhựa nóng chảy ép vào lòng khuôn, trình giải nhiệt tiến hành Trong lúc này, kênh giải nhiệt đóng vai trò vận chuyển nhiệt lượng nhựa nóng chảy môi trường bên ngoài, giúp phần thể tích nhựa nguội đến giá trị nhiệt độ mở khuôn Tấm T Vòng định vị Tấm A Gối C Tấm B Kênh giải nhiệt Tấm E Tấm F Tấm L Hình 2: Mô hình khuôn épphun Chốt dẫn hướng Cổng vào nhựa (Gate) Lòng khuôn Miệng phun (Sprue) Kênh dẫn nhựa Hình 3: Tấm khuôn B Trong trình mô phần mềm Moldflow 6.0, mô hình lưới Hình sử dụng Với mô hình này, 7658 phần tử tiến hành phân tích Tương tự thiết 539 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV kế thực khuôn, kênh dẫn phân bố cho khuôn A B Hình Trong mô phỏng, đường nước sử dụng nhằm điều khiển nhiệt độ cho khuôn Tương tự trình thí nghiệm, chu kỳ ép phun, lòng khuôn sử dụng nhằm tạo mẫu đo cong vênh; đó, hệ thống kênh dẫn nhựa lòng khuôn mô hình hóa phía Các kích thước hệ thống kênh dẫn nhựa mô hình hóa khuôn thực Sau trình mô kết thúc, kết độ cong vênh thể Hình Các kết tổng hợp so sánh với thực nghiệm Cuống phun (Sprue) Đầu nước giải nhiệt Đầu vào nước giải nhiệt Kênh dẫn nhựa (Runner) Sản phẩm Đầu nước giải nhiệt Đầu vào nước giải nhiệt Hình 4: Mô hình mô Hình Kết mô độ cong vênh sản phẩm dạng KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH Qua trình mô phỏng, độ cong vênh tổng hợp Bảng so sánh Hình Nhìn chung, tăng nhiệt độ khuôn từ 30oC đến 90oC, độ cong vênh nhựa thay đổi không đáng kể Với kết này, trường hợp ép phun sản phẩm nhựa có thành mỏng, phương án tăng nhiệt độ khuôn hoàn toàn sử dụng nhằm tăng khả điền đầy lòng khuôn [2, 3, 8], tăng số lượng sản phẩm chu kỳ ép phun [7] đảm bảo yêu cầu độ cong vênh sản phẩm Tuy nhiên, với giá trị nhiệt độ khuôn, tăng giới hạn cho phép vật liệu, sản phẩm bị bavia khuyết tật độ bền sản phẩm [8 – 10] 540 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Với chiều dày sản phẩm, kết mô cho thấy tăng chiều dày từ 1,0 mm đến 2,5 mm, độ cong vênh giảm rõ rệt từ 1,59 mm xuống 0,27 mm Kết giải thích dựa vào độ cứng vững sản phẩm Trong nghiên cứu này, chiều dày sản phẩm tăng lên, độ cứng vững tăng thêm đáng kể Sau sản phẩm lấy khỏi lòng khuôn, tượng co rút vật liệu tiếp tục diễn Do đó, với sản phẩm có chiều dày lớn hơn, khả chống cong vênh lớn mm Cong vênh (mm) mm mm mm Nhiệt độ nhựa: 200 0C Thời gian làm nguội: 15 (s) Thời gian điền đầy: (s) Thời gian định hình: (s) Áp suất định hình: 100 MPa Vật liệu nhựa: PP Chiều dày sản phẩm (mm) Hình Kết mô ảnh hưởng chiều dày sản phẩm đến độ cong vênh Bảng Kết mô độ cong vênh sản phẩm D (mm) Chiều dày(mm) Nhiệt độ khuôn (oC) 1.5 2.5 30 1,507 0,934 0,944 0,291 40 1,534 1,07 0,905 0,281 50 1,591 1,087 0,914 0,278 60 1,505 1,055 0,921 0,272 70 1,576 1,087 0,91 0,278 80 1,527 0,979 0,924 0,29 90 1,542 1,084 0,868 0,284 Nhằm kiểm tra độ xác kết mô phỏng, mẫu ép phun nhiệt độ khuôn 40oC ứng với chiều dày khác tiến hành đo kiểm độ cong vênh theo Hình Các kết so sánh mô thực nghiệm tổng hợp Bảng so sánh Hình Các kết cho thấy trình mô dự đoán xác độ cong vênh sản phẩm nhựa dạng Độ sai lệch lớn mô thực nghiệm 0,1mm Ngoài ra, thông qua trình đo kiểm thực tế mức giá trị khuôn 40oC, kết cho thấy tăng chiều dày sản phẩm từ 1,0 mm lên 2,5 mm, độ cong vênh giảm từ 1,620 mm xuống 0,324 mm Kết đo thực tế lớn kết mô khoảng 5% Sai lệch giải thích chất lượng hạt nhựa thực tế không đồng đều, ra, sai số trình ép phun có ảnh hưởng định đến độ co rút cong vênh sản phẩm Tuy nhiên, với mức sai lệch này, công cụ phần mềm hoàn toàn có khả ứng dụng cho công ty trình dự đoán cong vênh sản phẩm 541 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng Kết so sánh độ cong vênh sản phẩm (D) thí nghiệm mô ứng với chiều dày khác sản phẩm Chiều dày (mm) Độ cong vênh (mm) Thực nghiệm 1,534 1.5 1,070 1,620+0.015 −0.06 0,905 2.5 0,281 Cong vênh (mm) Mô 1,140+0.031 −0.004 1,006+0.017 −0.140 0,324+0.063 −0.09 Nhiệt độ khuôn: 40 0C Nhiệt độ nhựa: 200 0C Thời gian làm nguội: 15 (s) Thời gian điền đầy: (s) Thời gian định hình: (s) Áp suất định hình: 100 MPa Vật liệu nhựa: PP Mô Thực nghiệm Chiều dày sản phẩm (mm) Hình Kết so sánh độ cong vênh sản phẩm (D) thí nghiệm mô với chiều dày khác sản phẩm KẾT LUẬN Trong báo này, mô hình khuôn ép phun sản phẩm nhựa dạng mỏng mô hình hóa mô với giá trị nhiệt độ khuôn thay đổi từ 30oC đến 90oC; bên cạnh đó, chiều dày mẫu thử thay đổi, nhằm quan sát thay đổi độ cong vênh sản phẩm Sau đó, mô hình khuôn ép phun gia công tiến hành ép phun sản phẩm nhựa nhiệt độ khuôn 40oC chiều dày mẫu thử 1,0 mm; 1,5 mm; 2,0 mm 2,5 mm Qua trình mô đo kiểm thực tế, kết luận sau rút ra: • Khi nhiệt độ khuôn tăng từ 30oC lên 90oC, độ cong vênh sản phẩm không bị ảnh hưởng nhiều Kết luận tương tự cho chiều dày khác mẫu thử Do đó, phương pháp tăng nhiệt độ khuôn trình ép phun hoàn toàn sử dụng nhằm tăng khả điền đầy lòng khuôn trường hợp sản phẩm dạng thành mỏng sản phẩm phức tạp • Thông qua nghiên cứu này, chiều dày sản phẩm có ảnh hưởng tích cực đến độ cong vênh Khi tăng chiều dày từ 1,0 mm đến 2,5 mm, độ cong vênh giảm từ 1,59 mm xuống 0,27 mm Do đó, chiều dày sản phẩm thông số quan trọng, cần quan tâm trình thiết kế sản phẩm nhựa • Thông qua trình đo kiểm thực tế, độ xác kết mô kiểm chứng Sai lệch mô thực nghiệm nằm giới hạn 5% Điều cho thấy 542 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV công cụ mô hoàn toàn có khả ứng dụng thực tế nhằm dự đoán trước mức độ cong vênh sản phẩm nhựa dạng tấm, từ đó, giải pháp đề xuất kiểm nghiệm Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng thông số ép phun khác đến trình co rút biến dạng sản phẩm ép phun nhựa, nghiên cứu trình co rút dạng sản phẩm khác như: hình trụ, hình hộp,… nhằm đưa quy luật, phương pháp, nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả chân thành cảm ơn hỗ trợ kinh phí nghiên cứu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM hỗ trợ trình nghiên cứu KS.Võ Thanh Tăng, KS.Trần Phú, KS.Trầm Vũ Hoàn, KS.Trần Minh Lắm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S C Chen, Y C Chen, H S Peng, Simulation of injection–compression-molding process II Influence of process characteristics on part shrinkage, Journal of Applied Polymer Science 75 (13) (2000) 1640–1654 [2] W B Young, A Chen, Injection-Compression Molded Part Shrinkage Uniformity Comparison between Semicrystalline and Amorphous Plastics, Transactions of the Aeronautical and Astronautical Society of the Republic of China, 34(1) (2006) 39-44 [3] S Kang, J S Kim, H Kim, Birefringence distribution in magneto-optical disk substrate fabricated by injection compression moulding, Optical Engineering, 39 (3) 2000 [4] C H Wu, Y L Su, Optimization of wedge-shaped parts for injection molding and injection compression molding, International Communications in Heat and Mass Transfer, 30 (2) (2003) 215–224 [5] I H Kim, S J Park, S T Chung, T H Kwon, Numerical modeling of injection / compression molding for center-gated disk: Part I Injection molding with viscoelastic compressible fluid model, Polymer Engineering & Science, 39 (10) (1999) 1930–1942 [6] Lê Minh Trí, Tối ưu hóa giải nhiệt khuôn ép phun, Luận văn Thạc Sĩ ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM, 2006 [7] Nguyễn Văn Thành, Nghiên cứu xây dựng quy trình thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun nhựa theo công nghệ CAD / CAE, Luận văn Thạc Sĩ ĐH Bách Khoa TP HCM 2006 [8] S C Chen, Y C Wang, S C Liu, J C Cin, Mold temperature variation for assisting micro molding of DVD micro-featured substrate and dummy using pulsed-cooling, Sensors and Actuators A 151 (1) (2009) 87-93 [9] S C Chen, Y W Lin, R D Chien, H M Li, Variable mold temperature to improve surface quality of microcellular injection molded parts using induction heating technology, Advances in Polymer Technology 27 (4) (2008) 224-232 [10] M C Jeng, S C Chen, P S Minh, J A Chang, C S Chung, Rapid mold temperature control in injection molding by using steam heating, International Communications in Heat and Mass Transfer 37(9) (2010) 1295-1304 [11] S C Chen, Y Chang, Y P Chang, Y C Chen, C Y Tseng, Effect of cavity surface coating on mold temperature variation and the quality of injection molded parts, International Communications in Heat and Mass Transfer 36 (10) (2009) 1030-1035 543