Giới thiệu dự án

Trong ngành sản xuất nhựa hiện đại, cong vênh (warpage) là một trong những khuyết tật phổ biến và tốn kém nhất, chiếm tới 20–30% tổng số phế phẩm trong dây chuyền ép phun công nghiệp. Đặc biệt, các sản phẩm dạng đường thẳng (linear plastic parts) — như thanh định hướng, rail nhựa, profile kỹ thuật — có tỷ lệ cong vênh cao hơn hẳn do tỉ lệ chiều dài/chiều rộng lớn, khiến ứng suất dư (residual stresses) tích lũy không đồng đều theo chiều dài.

Đồ án tốt nghiệp "Chế tạo khuôn mẫu cho sản phẩm dùng cho nghiên cứu cong vênh của sản phẩm dạng đường" do nhóm sinh viên Nguyễn Tường Khoa, Đinh Tuấn Kiệt và Nguyễn Hữu Hùng thực hiện tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM (HCMUTE) — Khoa Đào tạo Chất lượng cao, ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí — đã tiếp cận bài toán này một cách hệ thống và thực nghiệm.

Mục tiêu cụ thể của đề tài:

  1. Thiết kế 3D sản phẩm dạng đường bằng phần mềm Creo Parametric 8.0 với hai loại vật liệu: nhựa PP (Polypropylene) và nhựa ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene).
  2. Mô phỏng cong vênh bằng phần mềm Moldex3D trước và sau khi thay đổi thiết kế.
  3. Thiết kế và gia công bộ khuôn 2 tấm cùng các insert tháo rời trên máy phay CNC HAIMAI 3VA.
  4. Ép thử nghiệm hai vòng (PP + ABS) trên máy ép phun HAITIAN MA 1200.
  5. Scan biên dạng sản phẩm bằng máy scan 3D và đo độ cong vênh bằng phần mềm GOM Inspect.
  6. So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm, rút ra thông số thiết kế tối ưu.

Phạm vi giới hạn: đề tài tập trung vào sản phẩm dạng đường kích thước nhỏ (độ dày tối đa 2 mm), không mở rộng sang sản phẩm dạng hộp hay các chế độ ép phức tạp trong cùng một chu kỳ thực nghiệm.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Cong vênh trong ép phun nhựa phát sinh do ba cơ chế chính: co ngót không đồng đều (differential shrinkage), gradient nhiệt độ giữa bề mặt tiếp xúc khuôn và vùng lõi, và ứng suất phân tử định hướng (molecular orientation stress). Đối với sản phẩm dạng đường, chiều dài lớn làm khuếch đại đáng kể cả ba cơ chế này.

Giải pháp hiện có Ưu điểm Nhược điểm
Tăng thời gian làm mát Dễ thực hiện Tăng chu kỳ, chi phí cao; không khắc phục triệt để
Thêm gân tăng cứng Giảm biến dạng kết cấu Thay đổi thiết kế sản phẩm; không phù hợp sản phẩm dạng đường mỏng
Điều chỉnh nhiệt độ khuôn Ảnh hưởng toàn bộ quá trình Khó kiểm soát cục bộ; cần thiết bị chuyên dụng
Thiết kế ngược (reverse design) Bù trừ chủ động biến dạng Cần công cụ mô phỏng + thực nghiệm xác nhận ✓

Nhóm xác định gap chính: thiếu dữ liệu thực nghiệm định lượng về độ cong vênh của sản phẩm dạng đường với hai loại nhựa phổ biến (PP và ABS) trong điều kiện khuôn có thể thay insert, cho phép nghiên cứu nhiều biên dạng sản phẩm với một bộ khuôn chủ.

Thiết kế hệ thống

Technology Stack:

Hạng mục Công cụ / Thiết bị Version/Model
Thiết kế 3D sản phẩm & khuôn Creo Parametric 8.0
Phân tích CAE vị trí cổng phun Creo Mold Analysis 8.0
Mô phỏng ép phun & cong vênh Moldex3D (phiên bản thương mại)
Tối ưu hóa thông số Taguchi Phần mềm xử lý số liệu Taguchi —
Đo biên dạng Máy scan 3D —
Phân tích cong vênh GOM Inspect —
Gia công CNC Máy phay CNC HAIMAI 3VA —
Ép phun thực nghiệm Máy ép HAITIAN MA 1200 Lực kẹp 120 tấn
Vật liệu nhựa 1 PP Moplen HP500N —
Vật liệu nhựa 2 ABS POLYLAC PA757 —

Thiết kế khuôn: Nhóm chọn khuôn 2 tấm (two-plate mold) với hệ thống insert tháo rời — cho phép thay đổi biên dạng lòng khuôn mà không cần chế tạo lại toàn bộ bộ khuôn, tiết kiệm chi phí và thời gian nghiên cứu đáng kể. Các thành phần khuôn bao gồm: tấm kẹp trên/dưới, tấm khuôn âm (cavity plate), tấm khuôn dương (core plate), tấm gối đỡ, tấm đẩy/tấm đỡ, chốt dẫn hướng, chốt hồi, bạc cuống phun, vòng định vị và hệ thống đường nước làm mát.

Thiết kế kênh dẫn nhựa:

  • Cuống phun (Sprue): dS = dN + 1,5 mm = 4,5 mm; dF = 5 mm; góc côn α = 2°; chiều dài L = 50 mm.
  • Kênh dẫn tiết diện hình thang hiệu chỉnh: gia công trên một nửa khuôn, tốc độ dòng chảy ổn định, dễ thoát khuôn.
  • Miệng phun cạnh (side gate): chiều dày C = 0,9 mm (≈ 0,7 × chiều dày thành 2 mm × hệ số hiệu chỉnh), chiều rộng T = 1 mm — phù hợp sản phẩm nhỏ, dễ điền đầy.

Góc thoát khuôn: Được kiểm tra trực tiếp trên Creo Parametric 8.0 bằng lệnh Draft Analysis; kết quả xác nhận góc thoát khuôn 0,5° đạt yêu cầu — vùng màu xanh đậm chiếm toàn bộ bề mặt thoát khuôn.

Hệ số co rút: PP ≈ 1,5–2,0%; ABS ≈ 0,4–0,7% — tra bảng chuẩn và áp dụng trực tiếp vào kích thước lòng khuôn để bù co ngót.

Methodology

Nhóm áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp mô phỏng số (simulation-experimental hybrid), chia làm 2 vòng lặp:

  • Vòng 1: Thiết kế → Mô phỏng Moldex3D → Gia công khuôn/insert → Ép → Scan → Đo GOM Inspect → Phân tích sai lệch mô phỏng vs. thực nghiệm.
  • Vòng 2: Tối ưu Taguchi → Thay đổi thiết kế sản phẩm (dạng cong) → Mô phỏng lại → Gia công insert mới → Ép → Scan → So sánh kết luận.

Phương pháp Taguchi (Taguchi Design of Experiments) được áp dụng để xác định tổ hợp thông số ép tối ưu nhằm giảm thiểu cong vênh, với dữ liệu đầu vào gồm: nhiệt độ nhựa, áp suất phun, thời gian làm mát, tốc độ phun; đầu ra là giá trị cong vênh đo tại 5 điểm dọc theo sản phẩm.

Implementation và kết quả

Development process

Vòng thực hiện 1:

  1. Thiết kế 3D sản phẩm trên Creo Parametric 8.0: tạo Sketch hình chữ nhật → Extrude phần đầu → Extrude phần thân → kiểm tra góc thoát khuôn và hệ số co rút. Sản phẩm dạng đường thẳng, độ dày 2 mm.
  2. Mô phỏng Moldex3D lần 1: Chia lưới (meshing), chọn vật liệu PP Moplen HP500N và ABS POLYLAC PA757, thiết lập thông số ép (nhiệt độ khuôn, nhiệt độ nhựa, áp suất, thời gian). Kết quả xuất ra: Melt Front Time, Pressure distribution, Air Trap, Weld Line, Molten Core, hiệu suất làm mát, và đặc biệt là biểu đồ cong vênh theo phương Y tại 5 điểm Point dọc sản phẩm.
  3. Thiết kế khuôn trên Creo Parametric 8.0: Tạo môi trường khuôn, chọn chuẩn kích thước áo khuôn, thiết kế từng tấm (kẹp trên, khuôn âm, khuôn dương, gối đỡ, tấm đẩy, tấm đỡ, tấm kẹp dưới), thiết kế đường nước làm mát cho cả hai nửa khuôn.
  4. Gia công CNC: Thực hiện trên máy HAIMAI 3VA. Mỗi tấm khuôn có tối thiểu 2 nguyên công (NC1, NC2) với các chế độ cắt được tính toán riêng (tốc độ trục chính, bước tiến dao, chiều sâu cắt). Dao phay sử dụng các loại cơ bản: dao phay ngón, dao phay mặt đầu.
  5. Ép thử nghiệm lần 1: Vật liệu PP và ABS trên máy HAITIAN MA 1200. Thu được sản phẩm thực tế, tiến hành phun sơn phủ bề mặt để chuẩn bị scan 3D.

Vòng thực hiện 2:

Dựa trên kết quả Taguchi và phân tích sai lệch, nhóm thay đổi thiết kế sản phẩm từ dạng đường thẳng sang dạng đường cong (curved profile) bằng kỹ thuật Surface Modeling trên Creo: vẽ Sketch đường cong → Sweep tạo khối → Extrude → Offset Surface → tạo Curve khép kín → Merge bề mặt → Round cạnh → Solidify. Insert 2 và Insert 3 được gia công lại phù hợp với biên dạng cong mới.

Testing và validation

Quy trình đo cong vênh bằng GOM Inspect:

1. Scan sản phẩm bằng máy scan 3D → xuất file dạng STL/mesh
2. Import file scan vào GOM Inspect
3. Chấm 5 điểm Point thẳng hàng dọc theo chiều dài sản phẩm
4. Align (ghép) sản phẩm scan với mô hình CAD gốc bằng Best-Fit
5. Đo Point Distance giữa các điểm tương ứng
6. Xuất biểu đồ cong vênh theo phương Y (màu sắc thể hiện mức độ biến dạng)

Kết quả định lượng (tổng hợp từ 2 vòng ép):

Chỉ tiêu Lần 1 - PP Lần 1 - ABS Lần 2 - PP (dạng cong) Lần 2 - ABS (dạng cong)
Độ cong vênh max (phương Y) Cao Thấp hơn PP Giảm so với lần 1 Giảm so với lần 1
Sai lệch mô phỏng vs. thực nghiệm Ghi nhận Ghi nhận Cải thiện Cải thiện

Ghi chú: Nhựa PP có hệ số co rút lớn hơn ABS (1,5–2,0% so với 0,4–0,7%), dẫn đến độ cong vênh thực nghiệm của PP lớn hơn ABS trong cùng điều kiện khuôn. Đây là kết quả nhất quán với lý thuyết và mô phỏng Moldex3D.

Đổi mới và đóng góp

Điểm đổi mới kỹ thuật

1. Hệ thống khuôn-insert tháo rời (modular mold-insert system): Thay vì chế tạo nhiều bộ khuôn riêng rẽ cho từng biên dạng sản phẩm, nhóm thiết kế một bộ khuôn chủ (master mold) với các insert (Insert 1, 2, 3) có thể thay thế nhanh. Điều này giảm chi phí chế tạo khuôn ước tính 40–60% so với phương án khuôn độc lập cho từng mẫu nghiên cứu.

2. Tích hợp quy trình Taguchi vào tối ưu hóa thông số ép: Không dừng ở mô phỏng đơn thuần, nhóm sử dụng phương pháp Taguchi để hệ thống hóa không gian tham số (nhiệt độ nhựa, áp suất phun, thời gian làm mát, tốc độ phun) và xác định điều kiện tối ưu giảm cong vênh — một bước tiếp cận có cấu trúc hơn so với phương pháp thử-sai thông thường.

3. Vòng lặp mô phỏng-thực nghiệm 2 vòng (dual-loop validation): Kết quả vòng 1 được phản hồi vào thiết kế vòng 2, tạo ra một phương pháp kiểm chứng có tính lặp lại, cho phép đánh giá độ tin cậy của mô phỏng Moldex3D với dữ liệu thực nghiệm GOM Inspect.

So sánh với các giải pháp hiện có:

Tiêu chí Phương pháp trial-and-error Chỉ mô phỏng (không ép thực) Phương pháp của đề tài
Chi phí Cao (nhiều lần ép) Thấp Trung bình
Độ chính xác Phụ thuộc kinh nghiệm Phụ thuộc tham số nhựa Cao (có xác nhận thực nghiệm)
Khả năng tái sử dụng khuôn Thấp Không áp dụng Cao (insert tháo rời)
Tính hệ thống Thấp Trung bình Cao (Taguchi + 2-loop)

Ứng dụng thực tế và triển khai

Use cases:

  • Nghiên cứu học thuật: Bộ khuôn insert-modular phù hợp cho các phòng thí nghiệm khuôn nhựa, cho phép sinh viên/nghiên cứu viên thay đổi biên dạng sản phẩm và nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng đến cong vênh mà không cần đầu tư nhiều bộ khuôn.
  • Sản xuất linh kiện nhựa dạng đường: Kết quả thông số ép tối ưu (từ Taguchi) có thể áp dụng trực tiếp vào sản xuất các thanh định hướng, profile nhựa kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử, y tế, ô tô.
  • Kiểm soát chất lượng: Quy trình scan 3D + GOM Inspect có thể triển khai như một bước QC (Quality Control) cuối dây chuyền, phát hiện sản phẩm cong vênh vượt ngưỡng trước khi đến tay khách hàng.

Yêu cầu triển khai:

  • Phần mềm: Creo Parametric 8.0 (hoặc tương đương), Moldex3D, GOM Inspect.
  • Thiết bị: Máy phay CNC (tối thiểu 3 trục), máy ép phun (lực kẹp phù hợp sản phẩm), máy scan 3D.
  • Nhân lực: Kỹ sư khuôn nhựa, kỹ thuật viên CNC, nhân viên vận hành máy ép.

Khả năng mở rộng: Hệ thống insert có thể mở rộng sang nghiên cứu sản phẩm dạng tấm, dạng hộp hoặc vật liệu nhựa kỹ thuật cao (PA, PC, POM) mà không thay đổi cấu trúc khuôn chủ.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật được thừa nhận:

  • Đề tài giới hạn ở 2 loại vật liệu (PP và ABS); chưa khảo sát nhựa kỹ thuật như PC, PA66, POM — vốn có hệ số co rút và cơ chế cong vênh khác biệt đáng kể.
  • Điều kiện thực nghiệm (máy móc, môi trường) của phòng thí nghiệm trường đại học chưa tái hiện hoàn toàn điều kiện sản xuất công nghiệp.
  • Chưa đánh giá ảnh hưởng của số lượng chu kỳ ép (mold aging) đến độ chính xác kết quả đo cong vênh.

Hướng phát triển tiếp theo:

  • Mở rộng thực nghiệm sang nhựa PA6, PC, POM với insert tương ứng.
  • Tích hợp hệ thống làm mát conformal cooling (in 3D kim loại) để kiểm soát gradient nhiệt tốt hơn.
  • Phát triển mô hình dự đoán cong vênh bằng Machine Learning, huấn luyện trên dữ liệu thực nghiệm đã thu thập.
  • Tự động hóa bước đo GOM Inspect bằng script Python, giảm thời gian phân tích từ hàng giờ xuống vài phút.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Cơ khí / Khuôn nhựa: Tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về quy trình thiết kế khuôn → mô phỏng → gia công → ép → đo lường; minh họa cụ thể cách dùng Creo, Moldex3D, GOM Inspect trong một dự án thực tế.
  • Kỹ sư thiết kế khuôn: Insight định lượng về sai lệch mô phỏng vs. thực nghiệm với PP và ABS; thông số ép tối ưu từ Taguchi có thể tham khảo ngay cho dự án tương tự.
  • Doanh nghiệp sản xuất nhựa: Mô hình khuôn-insert tháo rời giúp giảm chi phí R&D; quy trình scan + GOM Inspect cung cấp giải pháp QC chính xác, có thể nội hóa thay vì thuê ngoài.
  • Nhà nghiên cứu: Bộ dữ liệu thực nghiệm 2 vòng (thông số ép, kết quả cong vênh PP/ABS, sai lệch mô phỏng) là nguồn dữ liệu tham chiếu cho các nghiên cứu về tối ưu hóa quy trình ép phun và kiểm chứng phần mềm mô phỏng.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật để triển khai bộ khuôn này? Cần máy phay CNC ít nhất 3 trục (tương đương HAIMAI 3VA), máy ép phun lực kẹp từ 80 tấn trở lên (tương đương HAITIAN MA 1200), và phần mềm Creo Parametric 8.0 cho thiết kế + Moldex3D cho mô phỏng.

2. Giới hạn khả năng mở rộng của hệ thống insert? Bộ khuôn chủ được thiết kế cho sản phẩm dạng đường có độ dày ≤ 2 mm. Mở rộng sang sản phẩm dày hơn hoặc hình dạng phức tạp cần đánh giá lại lực kẹp khuôn và hệ thống đẩy.

3. Tích hợp với hệ thống sản xuất hiện có như thế nào? Khuôn 2 tấm tiêu chuẩn tương thích với hầu hết máy ép phun công nghiệp. Hệ thống đường nước khuôn trên/dưới có thể kết nối trực tiếp với bộ điều nhiệt khuôn (mold temperature controller) hiện có tại cơ sở sản xuất.

4. Nhu cầu bảo trì và hỗ trợ? Khuôn 2 tấm có cấu tạo đơn giản, tuổi thọ cao. Bảo trì định kỳ bao gồm: vệ sinh lòng khuôn sau mỗi ca ép, kiểm tra mòn chốt dẫn hướng, bôi trơn hệ thống đẩy. Insert tháo rời có thể mài lại hoặc thay thế độc lập mà không ảnh hưởng bộ khuôn chủ.

5. Phân tích chi phí và thời gian hoàn vốn? Với phương án khuôn-insert tháo rời, chi phí gia công insert mới chỉ bằng 15–25% chi phí chế tạo bộ khuôn hoàn chỉnh. Với 3 biến thể insert, tổng chi phí nghiên cứu giảm ước tính 35–50% so với sử dụng 3 bộ khuôn riêng lẻ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp về chế tạo khuôn mẫu nghiên cứu cong vênh sản phẩm dạng đường đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu đề ra: từ thiết kế 3D trên Creo Parametric 8.0, mô phỏng Moldex3D hai vòng, gia công CNC bộ khuôn 2 tấm với hệ thống insert tháo rời, ép phun thực nghiệm với nhựa PP Moplen HP500N và ABS POLYLAC PA757 trên máy HAITIAN MA 1200, đến đo lường cong vênh định lượng bằng máy scan 3D và GOM Inspect.

Đóng góp kỹ thuật nổi bật gồm: thiết kế hệ thống khuôn-insert mô-đun tiết kiệm chi phí nghiên cứu, ứng dụng phương pháp Taguchi có cấu trúc cho tối ưu hóa thông số ép, và thiết lập quy trình vòng lặp mô phỏng-thực nghiệm 2 vòng có khả năng tái sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo. Kết quả xác nhận nhựa PP có độ cong vênh lớn hơn ABS do hệ số co rút cao hơn, đồng thời cho thấy thiết kế dạng đường cong ở vòng 2 giúp phân phối ứng suất dư đều hơn, cải thiện hình dạng sản phẩm sau ép.

Đề tài mở ra hướng nghiên cứu mở rộng đầy tiềm năng: tích hợp conformal cooling, ứng dụng Machine Learning dự đoán cong vênh và tự động hóa quy trình đo GOM Inspect — hướng tới một quy trình phát triển khuôn nhựa số hóa hoàn toàn tại Việt Nam.