Bài giảng Nhiệt định hình

1NHIỆT ĐỊNH HÌNH (THERMOFORMING) 1 1.NGUYÊN LÝ 2 GIA NHIỆT VẬT LIỆU TRƯỚC KHI ĐỊNH DẠNG KẸP HÌNH DẠNG SẢN 1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 3 ĐƯỜNG HÚT CHÂN KHÔNG ĐỊNH DẠNG CHÂN KHÔNG PHẨM • Nhiệt định hình là một phương pháp chế biến nhựa lâu đời và phổ biến nhất. 1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 4 21. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC • Tấm hoặc màng được tạo từ công nghệ đùn được gia nhiệt trên nhiệt độ mềm Tg, sau đó được biến dạng bởi lực tạo hình ( áp suất chân không, áp suất không khí hoặc lực cơ học) ép nó vào khuôn và và được làm nguội. Cuối cùng sản phẩm sẽ có hình dạng của bề mặt khuôn. 5 Các đặc tính: • Biến dạng trong nhiệt định hình được thực hiện trong khi vật liệu ở trạng thái mềm (không nóng chảy). Đó chính là điểm võng xuống •Quá trình chủ yếu là biến dạng dài bề mặt tự do, nó tương tự quá trình thổi và thổi màng. •Ưu điểm -Giá thành máy thấp -Nhiệt độ yêu cầu thấp -Áp suất yêu cầu thấp -Tạo chi tiết lớn dễ dàng -Chu kỳ khuôn nhanh -Vật liệu khuôn không yêu cầu cao ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM 6 •Nhược điểm -Polymer bị gia nhiệt hai lần -Giá vật liệu cao -Phế liệu cao -Độ phức tạp của hình dáng sản phẩm bị hạn chế -Sản phẩm chỉ được tạo hình bởi một phía nhờ khuôn -Chiều dầy sản phẩm không đồng đều -Có nội ứng suất 2.SẢN PHẨM 7 2.CÁC SẢN PHẨM NHIỆT ĐỊNH HÌNH 8 32.CÁC SẢN PHẨM NHIỆT ĐỊNH HÌNH 9 2.CÁC SẢN PHẨM NHIỆT ĐỊNH HÌNH 10 2.CÁC SẢN PHẨM NHIỆT ĐỊNH HÌNH 11 2.CÁC SẢN PHẨM NHIỆT ĐỊNH HÌNH 12 42.CÁC SẢN PHẨM NHIỆT ĐỊNH HÌNH 13 2.CÁC SẢN PHẨM NHIỆT ĐỊNH HÌNH 14 ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT • Phương pháp định dạng nhiệt nhờ chân được ứng dụng rất nhiều trong sản xuất hàng loạt, hàng khối. 15 3.PHÂN LOẠI 16 5• Chân không • Áp suất • Hỗ trợ nhờ chày • Kéo ngược • Tự do 3.PHÂN LOẠI 17 • Chày (Drape) • Cối (Snap-back) • Chày và cối (Matched die) • Cơ 4.ĐỊNH DẠNG BẰNG CHÂN KHÔNG 18 * Đây là dạng đơn giản nhất, dùng áp suất chân không để kéo tấm vào lòng khuôn. • Quá trình bắt đầu khi tấm được gia nhiệt mềm. • Sau đó áp suất chân không thông qua các lỗ nhỏ ở bên trong khuôn sẽ đẩy tấm vào 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG 19 sát khuôn nơi mà nó được làm nguội và có được hình dạng mong muốn ( hình dạng của lòng khuôn). 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG 20 6BƯỚC 1 21 Tấm chất dẻo được gia nhiệt đến nhiệt độ mềm BƯỚC 2 22 Tấm được đặt lên trên lòng khuôn BƯỚC 3 23 Chân không sẽ kéo tấm vào trong lòng khuôn BƯỚC 4 Chất dẻo sẽ được làm nguội khi nó tiếp xúc với mặt khuôn có nhiệt 24 độ nguội và sản phẩm sẽ được lấy đi 74.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG 25 Trong phương pháp này thì tấm nhựa được gia nhiệt cho đến khi đạt trạng thái mềm dẻo, sau đó nhờ áp suất chân không thông qua các lỗ bên dưới khuôn sẽ kéo tấm nhựa ép sát vào bề mặt khuôn để tạo sản phẩm mong muốn. 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG 26 • Quá trình hình thành sản phẩm trên khuôn đực. Tấm được kẹp và gia nhiệt đến nhiệt độ mềm và sau đó được ép trên toàn bộ bề mặt ngoài của khuôn đực cùng đồng thời dùng áp suất chân khuôn. • Dùng khi sản phẩm yêu cầu hình dạng của bề mặt trong có kích thước và chất l í d á bồ ắ à á bồ 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG 27 ượng cao v ụ c c n t m v c c n nước khoáng cần có các gai. •Ưu điểm là không có hiện tượng chiều dầy của sản phẩm bị mỏng. • Giá của khuôn thấp hơn khi khuôn có yêu cầu là lòng khuôn. Chu kỳ ngắn 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG 28 8– Dùng khi chiều sâu cần thiết của sản phẩm lớn. – Kích thước của bóng bóng được giám sát bởi con mắt điện tử. Khi bóng thổi tới kích thước yêu cầu thì áp suất ngừng cung cấp vép vật liệu vào khuôn. – Chày sẽ hỗ trợ để tạo ra hình dáng của sản phẩm. – Ưu điểm là chiều dầy đồng đều hơn. Nhược điểm là chu kỳ lớn – Áp suất chân không sẽ kéo vật liệu trước khi hình thành sản phẩm ể ẩ ề ầ ồ ề 6.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ KÉO NGƯỢC 29 đ sản ph m có chi u d y đ ng đ u hơn • Nó là dạng khác của phương pháp trên nó kết hợp ưu điểm của phương pháp kéo ngược và định dạng nhiệt nhờ bề mặt ngoài của khuôn. • Tấm được gia nhiệt đến nhiệt độ ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ BỀ NGOÀI CỦA KHUÔN NHƯNG NGƯỢC (Snap-back Forming) 30 mềm và kéo nhanh về phía khuôn. • Thường dùng cho chi tiết có hình dạng phức tạp. Chu kỳ tương đối dài nhưng chiều dầy sản phẩm đồng đều tốt. - Chày sẽ kéo vật liệu để hỗ trợ sự hình thành sản phẩm - Phần trên sẽ được hình thành nhờ chày, cón áp suất chân không sẽ tác dụng để hoàn tất sản phẩm - Ưu điểm của phương pháp này là chiều dầy đồng đều hơn đặc biệt là các sản phẩm dạng hộp, giảm sự kéo hoặc sự mỏng của vật liệu trong suốt quá trình định dạng - Vật liệu của chày thường bằng gỗ hoặc kim loại, hoặc polymer nhiệt rắn - Nhiệt độ của chày thường thấp hơnnhiệt độ của chất dẻo khoảng vài độ để ngăn ngừa sự nguộii sớm 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG CÙNG VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA CHÀY 31 - Chày thường nhỏ hơn lòng khuôn 10% - 20 %. • Chày sẽ hỗ trợ quá trình hình thành để cải thiện quá trình định dạng nhiệt nhờ chân không. Việc sử dụng chày ép vào tấm ở nhiệt độ mềm vào khuôn trước khi có tác dụng của chân không • Đôi khi người ta có thể sử ấ 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG CÙNG VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA CHÀY 32 dụng với áp su t dư thay vì dùng áp suất chân không 94.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG CÙNG VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA CHÀY 33 •Phương pháp này là dạng khác của phương pháp hỗ trợ của chày. • Tấm sẽ được gia nhiệtđến nhiệt độ mềm và thổi nó xa khuôn (kéo vật liệu mỏng ở tâm của tấm vùng có chiều dầy lớn nhất trong quá trình dùng định dạng nhiệt nhờ chân không) trước khi dùng chày hỗ trợ. 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ KÉO NGƯỢC 34 Bước kéo ngược (tạo bóng) Bước dùng chày hỗ trợ và tạo hình sản phẩm 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG 35 Có thể dùng hỗ trợ bằng máy 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG 36 10 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG Có thể dùng hỗ trợ bằng máy 37 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG 38 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG 39 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG 40 11 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG 41 • Hai lớp được định dạng đồng thời • Có thể tạo nhiều mầu và trang trí ĐỊNH DẠNG NHIỆT HAI LỚP 42 • Trong kĩ thuật này chiều dày của sản phẩm sẽ không đều • Khi tấm chạm vào khuôn thì chiều dầy của sản phẩm tại chỗ đó sẽ trở nên cố định, ngoài ra quá trình kéo vẫn xảy ra ở vùng chưa tiếp xúc với khuôn, đặc biệt là tại các góc. • Do vậy vùng mỏng nhất xảy ra tại các góc hoặc gần vùng 4.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ CHÂN KHÔNG 43 , kẹp 5.ĐỊNH DẠNG BẰNG ÁP SUẤT 44 12 – Áp suất dư thường (14.5 to 300 psi). – Ưu điểm là chu kỳ khuôn nhanh hơn so với phương pháp trên, tấm được tạo thành với nhiệt độ thấp hơn do áp suất ép cao hơn, kích thước sản phẩm có độ chính xác hơn và sản phẩm có hình dáng sắc nét hơn. Áp suất được tác dụng nhanh để ngăn ngừa bị nguội 5.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ ÁP SUẤT 45 Áp suất không khí sẽ ép tấm vào lòng khuôn 6.ĐỊNH DẠNG TỰ DO 46 – Việc định dạng sản phẩm không cần khuôn. – Sản phẩm được phồng lên nhờ áp suất và sau đó được làm nguội. Vòng kẹp thiết kế có thể điều khiển hình dáng bán cầu – Ví dụ làm sản phẩm dạng vòm của xe đua. – Ưu điểm là có độ trong suốt quang học cao. 6.ĐỊNH DẠNG NHIỆT TỰ DO 47 – Các sản phẩm được thổi – Không tiếp xúc với bề mặt khuôn, việc chạm sản phẩm vào bề mặt khuôn sẽ làm cho chất lượng bề mặt của sản phẩm bị thay đổi – Độ phức tạp của sản phẩm bị giới hạn 6.ĐỊNH DẠNG NHIỆT TỰ DO 48 13 7.ĐỊNH DẠNG NHỜ LÒNG VÀ CHÀY 49 - Hai khuôn được dùng để hình thành sản phẩm mà không sử dụng áp suất – Dùng khi sản phẩm không có kéo lớn. – Ưu điểm là chất lượng kích thước bề mặt trong và ngoài tốt 7.ĐỊNH DẠNG NHIỆT NHỜ LÒNG VÀ CHÀY KHUÔN (Matched Die Forming) 50 8.KHUÔN 51 • Hầu hết khuôn được làm bằng vật liệu nhôm bằng cách gia công hoặc đúc. • Do áp suất tác động lên khuôn tương đối nhỏ so với các biện pháp khác nên vật liệu cũng đa dạng hơn. Có thể được làm bằng các vật liệu như : gỗ cứng, epoxy đúc, thép. • Gỗ: sử dụng cho sản xuất chi tiết với số lượng nhỏ từ (50-100) sản phẩm • Sợi thủy tinh: dùng tới 50,000 sản phẩm ẩ KHUÔN 52 • Kim loai : dùng cho sản lượng hàng triệu sản ph m • Sứ: chủ yếu dùng trong mô phỏng và thí nghiệm. • Các loại nhiệt nhựa rắn(epoxy, resin): độ bền cao, bề mặt sản phẩm tương đối tốt. Thường có phủ lớp nhôm để tăng tính chịu nhiệt. • Nhôm: được sử dụng nhiều nhất do độ cứng bề mặt cao, dẫn nhiệt tốt, tính chống mòn cao. • Góc thoát khuôn thường từ (2-7) độ . • Các lỗ thoát khí thường được khoan ở phần trên hoặc phần dưới của khuôn để tạo điều kiện thoát khí là tốt nhất. 14 Các yêu cầu đối với khuôn: • Thành khuôn phải có góc nghiêng, giúp cho việc lấy sản phẩm dễ dàng • Bề mặt khuôn được làm nhám hay nhẵn tùy thuộc vào loại vật liệu nhựa được sử dụng KHUÔN 53 . • Bố trí các lỗ thoát khí hợp lý, giúp cho việc tạo chân không dễ dàng, định hình tốt hơn, sản phẩm sắc nét, đồng thời ngăn ngừa tạo túi khí trong quá trình định hình. • Khuôn không được quá sâu, nếu không nhựa sẽ bị dính lại ở các góc, đồng thời cũng ảnh hưởng đến độ dày sản phẩm. Khuôn gỗ KHUÔN 54 Khuôn sợi thủy tinh Khuôn kim loại KHUÔN 55 KHUÔN 56 15 • Khuôn cái (Female mold)- khuôn đực ( Male mold) KHUÔN 57 KHUÔN 58 - Người ta chia làm hai loại khuôn: 59 Khuôn 60 16 9.THIẾT KẾ SẢN PHẨM 61 • Tỉ số kéo – Cần phải chọn hợp lý để chiều sâu không thừa quá mức. – Là thống số quan trọng dùng để xác định khối lượng sao cho sự thay đổi chiều dầy của sản phẩm không xảy ra. Tỉ số kéo cao sẽ gây ra sự thay đổi chiều dầy quá nhiều, hoặc quá mỏng có thể xảy ra. – Tỉ số kéo = Chiều sâu của sản phẩm / chiều rộng của sản phẩm. – Tỉ số kéo cần phải nhỏ hơn • 2:1 đối với khuôn cái ố 9. THIẾT KẾ SẢN PHẨM 62 • 7:1 đ i với khuôn đực •Tỷ số diện tích Tỉ số diện tích gần bằng khối lượng của sản phẩm. – Tỉ số diện tích = Diện tích của tấm trước khi định dạng / diện tích của sản phẩm sau khi tạo hình – Ví dụ diện tích của tấm là 30 in2 và sản phẩm có diện tích là 60 in2, thì tỷ số là 1:2 và chiều dầy của sản phẩm sẹ là 50% chiều dầy của tấm. • Xác định chiều dầy của tấm phôi ban đầu để dùng công nghệ định dạng nhiệt, giả thuyết chiều dầy của sản phẩm là đồng đều. Kích thước của sản phẩm 60 x 50 x 5 cm và dùng phối có chiều dầy là 2mm. Chú ý có xét tới phần kẹp 2 cm cho mỗi cạnh 1. Kích thước của tấm phôi là= 64 x 54 cm 2. Tính bề mặt của sản phẩm 9. THIẾT KẾ SẢN PHẨM 63 50 x 60 x 1 cạnh = 3000 cm2 50 x 5 x 2 cạnh = 500 cm2 60 x 5 x 2 cạnh = 600 cm2 Tổng diện tích = 4100 cm2 3. Diện tích định dạng nhiệt của phôi tấm= 60 x 50 = 3000 cm2 4. Tỉ số diện tích = 3000/4100 5. Chiều dầy của phôi là = 2 mm/0.7317 = 2.73 mm • Hình dáng và thiết kế sản phẩm – Undercuts • Các lõi kéo – Kích thước • Chiều sâu, và diện tích bề ặt 9. THIẾT KẾ SẢN PHẨM 64 m 17 10.THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ 65 – TỐC ĐỘ CỦA ÁP SUẤT CHÂN KHÔNG • Càng nhanh càng tốt – Nhiệt độ của kuôn • Thông thường là nhiệt độ phòng. Nếu nhiệt độ tăng thì thời gian chu kỳ và độ co rút sẽ tăng – Kích thước của bóng khi dùng phương pháp kéo ngược 10. CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ 66 Kích thước của bóng không vướt quá 50% to 75% kích thước ngắn của tấm kẹp – Plug size • Chầy bằng70% đến 85% lòng khuôn và hính dáng của chày phải đối xứng với lòng khuôn 67 11.THIẾT BỊ 68 18 • Máy 11. THIẾT BỊ 69 11. THIẾT BỊ 70 11. THIẾT BỊ 71 11. THIẾT BỊ 72 19 11. THIẾT BỊ 73 11. THIẾT BỊ 74 Máy định dạng nhiệt một trạm thường bao gồm : - Phần gia nhiệt phôi tấm - kẹp tấm - Khuôn -Di chuyển tấm và khuôn vào phần định dạng. Liên quan với hệ thống chân không và 11. THIẾT BỊ 75 áp suất, và pittôn thủy lực để ép vào khuôn, - Hệ thống vận chuyển, - Lò và quạt làm nguội 11. THIẾT BỊ 76 20 11. THIẾT BỊ 77 • Máy Máy đóng gói Máy có khuôn di chuyển qua lại Shuttle Mold Machine 11. THIẾT BỊ 78 Máy đóng gói phồng Máy định dạng chân không QUÁ TRÌNH HÌNH ĐÓNG GÓI • Đóng gói phồng – Tấm nhựa được làm sạch tấm được căng dùng định dạng chân không hoặc dùng chày hỗ trợ . Nhiều gói được đóng đồng thời. – Sản phẩm cần đóng gói được đặt vào lòng khuôn trong khi tấm thì vẫn được định hướng cùng với lòng khuôn đi xuống. Tấm được in cùng với chất dính kết trên cạnh và được ép vào với nhau 79 – . – Phần phồng được tạo ra giữa vật liệu cần đóng gói và bao bì – Thường dùng cho những vật liệu có độ cứng vừa phải – Cần có khuôn • Đóng gói bình thường – Giống như đóng gói phồng trong việc dùng bìa cứng nhưng chất dẻo thì không cứng và không hình thành khoang chứa. – Ngoài ra chất dẻo không mềm và việc địng dạng được thực hiện sao cho sản phẩm được giữ bảo quản trong màng đối diện với bỉa cứng nhờ việc dùng tấm mà trên đó có in và có nhiều lỗ nhỏ . – The cardboard would then have an adhesive applied to the upper (printed) QUÁ TRÌNH HÌNH ĐÓNG GÓI 80 surface. The products are placed with one product in each pack. – The heated plastic material is then laid over the sheet of cardboard and vacuum is applied to draw the plastic sheet against the cardboard. (Draw forming) – Skin pack sheet is held firmly against part -Flexible materials are used -No mold is needed 21 Blister Pack and Skin Pack 81 Blister Packs Skin Packs Formed blister pack material • Cắt – Cắt bằng robot – Gia công khuôn 11. THIẾT BỊ 82 • Các điều cần chú ý – Vật liệu đóng gói • Tấm • Cuộn – Bộ phận đóng gói 11. THIẾT BỊ 83 • Quá trình thứ hai • Cắt – Phế liệu vật liệu • Sử dụng lại/bỏ đi 12.VẬT LIỆU 84 22 • Ứng dụng được cho cả nhựa nhiệt dẻo và cả nhựa nhiệt rắn. Người ta sử dụng chủ yếu nhựa nhiệt dẻo. • Hầu như tất cả các loại nhựa nhiệt dẻo đều thích hợp với phương pháp định dạng nhiệt nhờ chân không. • Phổ biến nhất là Polystyrene (HIPS) vì giá thành tương 12. VẬT LIỆU 85 , đối rẻ, màu sắc đa dạng và rất dễ dàng để tạo hình. Vật liệu Tg Theat distortion@66ps i Tmold set Tlower forming limit Tnormal forming Tupper forming limit ABS 88-120°C 77-113°C 82°C 127°C 146°C 182°C PS 94°C 68-96°C 85°C 127°C 149°C 182°C HDPE -110°C 79-91°C 77°C 127°C 146°C 182°C 12. VẬT LIỆU 86 Thuộc tinh của vài loại nhựa dùng cho nhiệt định hình (theo Throne 1996, trang. 69) PP 5°C 107-121°C 88°C 132°C 154-163°C 166°C PC 150°C 138°C 132°C 168°C 191°C 204°C PMMA 100°C 74-113°C 85°C 149°C 177°C 193°C Vật liệu Tính dẫn nhiệt (cal/s cm °C) x 104 Khả năng chịu nhiệt (cal/g °C) Khả năng tỏa nhiệt (cm2/s) x 10-4 Giãn nở nhiệt Coef. (°C-1) x 10-6 ABS 2-3 0.4 4.8-7.1 70 PS 4.3 0.54 7.66 60-130 12. VẬT LIỆU 87 Thuộc tinh của vài loại nhựa dùng cho nhiệt định hình (theo Throne 1996, trang. 85- 86) LDPE 7.57-9.6 0.88-1.05 7.85-11.9 250 HDPE 9.0-12.1 0.88-1.15 8.1-14.3 200 Bảng tra một số loại nhựa thông dụng 88 23 Một số hiện tượng gặp trong quá trình và biện pháp khắc phục. Hiện tượng Nguyên nhân Biện pháp Khó dỡ khuôn Khuôn và chi tiết còn nóng Tăng tốc quá trình làm 89 nguội, giảm nhiệt độ khuôn. Góc dỡ khuôn nhỏ Tăng góc dỡ khuôn. Hình dạng sản phẩm không chính xác Vật liệu chưa đạt đến nhiệt độ biến dạng dẻo Tăng thời gian gia nhiệt, tăng nhiệt độ và xem xét lại phân bố vị trí của bộ phận gia nhiệt Nhiệt độ khuôn quá nguội Gia nhiệt để đảm bảo khuôn đạt nhiệt độ như đã tính toán Á ấ hâ khô Điề hỉ h hời i 90 p su t c n ng chưa phù hợp u c n t g an thực hiện chân không. Tăng số lượng hoặc đường kính các lỗ thoát khí. Kiểm tra xem lỗ có vật cản không, có bị rò rĩ không. Chi tiết bị cong vênh Chi tiết được tháo ra quá nhanh Tăng chu kỳ làm nguội Có quạt phụ làm nguội Kiểm tra khi chi tiết hạ đến nhiệt độ phù hợp mới lấy ra Quá trình làm nguội chi tiết không đều Thiết kế lại hệ thống làm nguôi 91 khuôn. Thiết kế khuôn kém Xem xét thiết kế lại khuôn cho phù hợp. Áp suất dỡ khuôn quá lớn Điều chỉnh lại áp suất dỡ khuôn. Xuất hiện bọt khí Gia nhiệt quá nhanh, không đều Tăng thời gian gia nhiệt, phân bố lại vị trí bộ phận gia nhiệt Biến cứng cục bộ Vùng tiếp xúc giữa khuôn và tấm bị nguội nhanh Tăng nhiệt độ khuôn. 92