Tài liệu: Đề tài nckh thiết kế khuôn cho sản phẩm móc treo hồng sấy

Chuyên khảo phân tích Đề tài nckh thiết kế khuôn cho sản phẩm móc treo hồng sấy, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Trần Thị Ngọc Chi
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Sơn Minh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Thiết Kế Khuôn Cho Sản Phẩm Móc Treo Hồng Sấy
• Loại tài liệu: Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Sinh Viên
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế khuôn cho sản phẩm

Thiết kế khuôn là một lĩnh vực quan trọng trong công nghiệp gia công nhựa hiện đại. Đề tài NCKH thiết kế khuôn cho sản phẩm móc treo hồng sấy tập trung vào việc phát triển khuôn ép nhựa chuyên dụng, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất. Khuôn ép nhựa đóng vai trò then chốt trong việc định hình các chi tiết từ vật liệu polypropylene (PP), một trong những chất liệu phổ biến nhất trong ngành công nghiệp nhựa Việt Nam. Quá trình thiết kế khuôn yêu cầu sự kết hợp giữa kiến thức về kỹ thuật gia công, tính chất vật liệu, và các công nghệ CAD/CAE hiện đại. Bài viết này sẽ trình bày chi tiết các bước thiết kế, tính toán, và xây dựng khuôn ép nhựa chuyên nghiệp.

1.1. Khái niệm về thiết kế khuôn ép nhựa

Thiết kế khuôn ép nhựa là quá trình lập kế hoạch và thiết kế các bộ khuôn dùng để tạo hình sản phẩm từ nhựa thông qua quá trình ép phun. Bộ khuôn bao gồm khuôn âm và khuôn dương hoạt động theo chu kỳ đóng-mở nhất định. Việc thiết kế cần xem xét các yếu tố như hệ thống kênh dẫn nhựa, hệ thống làm nguội, hệ thống thoát khí, và hệ thống đẩy. Mỗi thành phần phải được tính toán chính xác để đảm bảo sản phẩm cuối cùng đạt tiêu chuẩn chất lượng cao.

1.2. Tầm quan trọng trong ngành công nghiệp nhựa

Thiết kế khuôn là nền tảng của sản xuất nhựa hiện đại, ảnh hưởng trực tiếp đến tính cạnh tranh của sản phẩm. Một bộ khuôn được thiết kế tốt không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm chi phí sản xuất và thời gian chu kỳ. Ngành công nghiệp nhựa Việt Nam đang tăng trưởng nhanh chóng, do đó nhu cầu về thiết kế khuôn chuyên nghiệp ngày càng cao. Việc áp dụng công nghệ CAE vào quy trình thiết kế khuôn giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm tỷ lệ sản phẩm lỗi.

II. Quy trình thiết kế khuôn và các bước chính

Quy trình thiết kế khuôn tuân theo một chuỗi các bước kỹ thuật được xác định rõ ràng. Đầu tiên, cần phải thiết kế sản phẩm chi tiết với các kích thước chính xác sử dụng phần mềm CAD như AUTOCAD INVENTOR. Tiếp theo là xác định các tham số kỹ thuật như hệ số co rút, bề dày sản phẩm, và góc thoát khuôn. Sau đó, kỹ sư cần lập kế hoạch hệ thống kênh dẫn nhựa để đảm bảo nhựa dẫn đến các khu vực của khuôn một cách đều đặn. Giai đoạn tiếp theo bao gồm thiết kế hệ thống làm nguội để kiểm soát nhiệt độ, hệ thống thoát khí để loại bỏ khí thừa, và hệ thống đẩy để tách sản phẩm. Cuối cùng, sử dụng phần mềm CAE để mô phỏng quá trình ép phun và tối ưu hóa các thông số.

2.1. Thiết kế sản phẩm và kiểm tra bề dày

Bước đầu tiên trong quy trình thiết kế khuôn là tạo mô hình thiết kế sản phẩm 3D chi tiết. Các kỹ sư sử dụng AUTOCAD INVENTOR 2017 để vẽ hình dạng tổng thể của sản phẩm. Sau đó, kiểm tra bề dày sản phẩm là cực kỳ quan trọng vì bề dày không đồng đều sẽ gây ra các khuyết tật như lỗ hổng khí, cong vênh, hoặc co rút không đều. Bề dày tối ưu phải nằm trong khoảng cho phép và được kiểm tra bằng phần mềm CREO.

2.2. Tính toán các thông số quan trọng

Các thông số kỹ thuật cần tính toán bao gồm hệ số co rút của vật liệu, thường là 1-2% đối với polypropylene. Góc thoát khuôn được xác định dựa trên độ cao của thành sản phẩm để đảm bảo sản phẩm có thể được tách khỏi khuôn dễ dàng. Số lòng khuôn (số lần sản phẩm được tạo ra trong một chu kỳ) cũng cần được xác định để tối ưu hóa công suất sản xuất và cân bằng áp lực trong khuôn.

III. Các hệ thống chính trong bộ khuôn ép nhựa

Một bộ khuôn ép nhựa hoàn chỉnh bao gồm nhiều hệ thống con phức tạp, mỗi hệ thống đều có vai trò quan trọng. Hệ thống kênh dẫn nhựa được thiết kế để dẫn nhựa nóng chảy từ cuống phun vào các lòng khuôn một cách đều đặn và không mất nhiệt độ. Đường kính và hình dạng của kênh dẫn phải được tính toán dựa trên độ dài kênh dẫn và bề dày sản phẩm. Hệ thống làm nguội là một phần không thể thiếu, sử dụng các kênh dẫn nước để kiểm soát nhiệt độ của khuôn và giảm thời gian chu kỳ. Hệ thống thoát khí được tạo bằng các rãnh thoát khí trên mặt phân khuôn để loại bỏ khí bị mắc kẹt. Hệ thống đẩy gồm các chốt đẩy tiêu chuẩn để tách sản phẩm khỏi khuôn sau khi quá trình ép phun hoàn tất.

3.1. Hệ thống kênh dẫn và phun nhựa

Hệ thống kênh dẫn nhựa bao gồm kênh chính, kênh phụ, và cuống phun. Cuống phun là nơi nhựa vào khuôn và phải có kích thước cuống phun phù hợp để tránh mất nhiệt. Miệng phun kiểu cạnh là loại phổ biến, cho phép tách sản phẩm dễ dàng. Các kênh dẫn có tiết diện nửa hình tròn hoặc hình chữ U để tối ưu hóa dòng nhựa.

3.2. Hệ thống làm nguội và thoát khí

Hệ thống làm nguội gồm các kênh làm nguội được khoan qua khuôn để dẫn nước làm mát. Kích thước kênh làm nguội thường là 8-10mm đường kính, khoảng cách từ mặt phân khuôn khoảng 10-15mm. Rãnh thoát khí cần được bố trí chiến lược tại các vị trí dễ mắc khí nhất. Các chốt đẩy chuẩn Misumi và các bộ phận tiêu chuẩn khác được sử dụng để đảm bảo độ tin cậy.

IV. Ứng dụng công nghệ CAE và tối ưu hóa thiết kế

Phân tích CAE (Computer Aided Engineering) đóng vai trò then chốt trong thiết kế khuôn hiện đại. Phần mềm CAE cho phép kỹ sư mô phỏng quá trình ép phun và dự đoán kết quả trước khi gia công thực tế. Mô phỏng CAE giúp xác định các vấn đề tiềm ẩn như lỗ hổng khí, cong vênh, hoặc điền đầy không đều. Qua quá trình chạy thử lần 1, 2 với các thông số chạy thử khác nhau (thời gian ép, nhiệt độ, áp suất), kỹ sư có thể tối ưu hóa các tham số để đạt hiệu quả cao nhất. Nhiệt độ bề mặt chi tiết, áp suất lớn nhất, và thời gian điền đầy được giám sát để đảm bảo sản phẩm có chất lượng tốt. Việc áp dụng CAE giúp giảm chi phí thử nghiệm thực tế, rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm, và nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường.

4.1. Mô phỏng và phân tích các thông số ép phun

Phân tích CAE bắt đầu bằng việc chia lưới chi tiết và chọn hướng mở khuôn phù hợp. Thông số chạy thử gồm nhiệt độ nhựa (Tn), nhiệt độ khuôn (tk), thời gian ép, và áp suất. Độ nhớt của nhựa ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ điền đầy. Kết quả điền đầy và nhiệt độ bề mặt được quan sát qua từng giai đoạn để xác định vị trí tối ưu cho cổng phun.

4.2. Tối ưu hóa và kiểm tra chất lượng cuối cùng

Sau khi hoàn thành thiết kế khuôn, cần kiểm tra chất lượng các chi tiết như chốt đẩy, bạc dẫn hướng, chốt dẫn, lò xo, và bu lông vòng theo tiêu chuẩn Misumi. Gia công khuôn sử dụng máy CNC để tạo các lòng khuôn với độ chính xác cao. Bộ khuôn hoàn chỉnh được mài và đánh bóng để đảm bảo bề mặt nhẵn, kéo dài tuổi thọ khuôn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Chất dẻo, hay còn gọi là nhựa hoặc polymer được dùng làm vật liệu sản xuất nhiều loại sản phẩm góp phần quan trọng vào đời sống xã hội cũng như phục vụ phát triển cho nhiều ngành và lĩnh vực kinh tế khác trong nuớc như nông nghiệp, điện , điện tử…Cùng với tính chất đặc trưng như: nhẹ, dẻo dai, bền, dễ tái chế, giá thành rẻ, không phản ứng hóa học với không khí ở điều kiện thường… và sự phát triển của khoa học công nghệ thì ngành công nghiệp nhựa ngày càng có vai trò quan trọng trong đời sống cũng như sản xuất. Bên cạnh đó, ngành sản xuất khuôn mẫu nói chung và khuôn nhựa nói riêng đang được các nước trên thế giới đầu tư ngày càng phát triển, nhằm nâng cao chất lượng tạo ra các sản phẩm có hình dạng phức tạp, màu sắc đa dạng tăng sức cạnh tranh trên thị trường. Do đó, trong tương lai nhu cầu sử dụng vật liệu nhựa sẽ rất lớn.1: Tiềm năng tăng trưởng của ngành công nghiệp nhựa Việt Nam Chính những nhu cầu thị trường rộng lớn đã tạo ra cơ hội cho những doanh nghiệp sản xuất nói chung và kỹ sư thiết kế nói riêng. Tuy nhiên, cơ hội lớn cũng đồng nghĩa thách thức lớn được đặt ra, đó là làm cách nào để đưa sản phẩm đến tay người tiêu dùng.

Điều đó đòi hỏi sản phẩm không những đẹp mắt, chất lượng tốt, giá cả phải chăng mà còn phải có thiết kế độc đáo riêng. Lý do chọn đề tài: Với mong muốn tìm hiều và học hỏi quá trình chế tạo một bộ khuôn hoàn chỉnh, kiểm nghiệm lại những kiến thức bằng chính thực nghiệm của mình áp dụng vào những đề tài thực tế. Tạo điều kiện tiếp xúc, lấy kinh nghiệm cho bản thân trước khi ra trường và tham gia vào sản xuất. Bên cạnh đó dựa trên nhu cầu thực tế của người dân về ứng dụng công nghệ hồng sấy vào sản xuất, thì nhóm đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế khuôn cho sản phẩm móc treo hồng sấy” cho nghiên cứu khoa học này.

Nhóm thực hiện cũng mong giúp người dân thuận lợi và dễ dàng hơn trong việc sản xuất. Mục tiêu đề tài: Thiết kế bộ khuôn ép chi tiết nhựa móc treo hồng sấy với sự hỗ trợ của CAD và CAE. Kết quả để lấy dữ liệu thiết kế, đây là dữ liệu quan trọng để xây dựng các quỹ đạo 11 chạy dao và chạy thử trên phần mềm hỗ trợ. Điều này không những giảm được chi phí chế thử mà còn tang độ chính xác hình dáng hình học của bề mặt chi tiết Ứng dụng lý thuyết và kỹ thuật cad/cam để thiết kế và chế tạo bộ khuôn ép nhựa phục vụ cho ngành nông nghiệp ép nhựa, đó là khuôn ép nhựa móc treo hồng sây.

Bộ khuôn này đảm bảo và có khả năng thương mại hóa. Đặc biệt kết quả của đề tài là mô hình mẫu để sinh viên nắm bắt về công nghệ ép nhựa, góp phần nâng cao kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn. Giúp sinh viên hình thành được những bước làm cụ thể khi ứng dụng công nghệ CAD/CAM để mô phỏng hay gia công những chi tiết máy tương tự hoặc phức tạp hơn trong học tập hoặc thực tế sản xuất. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng các kiến thức căn bản về thiết kế cơ khí nhằm xây dựng cách thức tiến hành tính toán thiết kế kích thước, thiết kế để xây dựng được bản vẽ chế tạo các chi tiết của bộ khuôn ép nhựa.

Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Khảo sát, phân tích và đánh giá mô hình trên phần mềm; gia công chi tiết trong cơ sở sản xuất. Phạm vi nghiên cứu: Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu, thiết kế, tính toán về bộ khuôn ép nhựa dựa trên lý thuyết thiết kế khuôn ép nhựa và phạm vi ứng dụng trong các công ty sản xuất dụng cụ sản xuất hồng sấy. Cụ thể là đề tài nghiên cứu, thiết kế, tính toán về bộ khuôn ép nhựa móc treo hồng sấy. Tổng quan về khuôn: 2.

Khái niệm về khuôn ép nhựa: Khuôn là dụng cụ dùng để tạo hình sản phẩm theo phương pháp định hình, khuôn được thiết kế và chế tạo để sử dụng cho một số lượng chu trình nào đó, có thể một lần và có thể là nhiều lần. Kết cấu và kích thước của khuôn được thiết kế và chế tạo phụ thuộc vào hình dáng, kích thước, chất lượng và số lượng của sản phẩm cần tạo ra. Ngoài ra còn phụ thuộc vào rất nhiều vấn đề khác. Khuôn sản xuất sản phẩm nhựa là một cụm gồm nhiều chi tiết được lắp ghép lại với nhau, được chia ra làm hai phần khuôn chính là: -Phần cavity (phần khuôn cái, phần khuôn cố định): được gá trên tấm cố định của máy ép nhựa.

-Phần core (phần khuôn đực, phần khuôn di động): được gá trên tấm di động của máy ép nhựa. Ngoài ra, khoảng trống giữa cavity và core được điền đầy bởi nhựa nóng chảy. Sau đó, nhựa được làm nguội, đông đặc lại rồi lấy ra khuôn bằng hệ thống lấy sản phẩm hoặc thao tác bằng tay. Sản phẩm thu được có hình dạng của lòng khuôn.1: Khuôn âm và khuôn dương ở trạng thái đóng 2.

Phân loại khuôn ép nhựa: a. Khuôn hai tấm: Khuôn hai tấm là loại khuôn phổ biến nhất. So với khuôn ba tấm thì khuôn hai tấm đơn giản hơn, rẻ hơn và có chu kỳ ép phun ngắn hơn. Đối với khuôn hai tấm có một lòng khuôn thì không cần đến kênh dẫn nhựa mà nhựa sẽ điền đầy trực tiếp vào lòng khuôn thông qua bạc cuống phun.

Đối với khuôn hai tấm có nhiều lòng khuôn thì ta cần quan tâm đến việc thiết kế kênh dẫn và miệng phun sao cho nhựa có thể điền đầy các lòng khuôn cùng lúc (vấn đề cân bằng dòng chảy của nhựa). Trước khi bắt đầu thiết kế khuôn loại này ta nên dùng một mẫu để phân tích thử trên phần mềm để ra vị trí đặt miệng phun thích hợp nhất. Khi xét thấy vị trí miệng phun có thể đặt thẳng hàng với các lòng khuôn thì việc dùng khuôn hai tấm là thích hợp. 13 Khuôn gồm có hai phần: Cavity (khuôn âm) và Core (khuôn dương).

Kết cấu khuôn đơn giản, dễ chế tạo nhưng khuôn hai tấm thường chỉ sử dụng để chế tạo ra những sản phẩm dễ bố trí cổng vào nhựa.2: Khuôn hai tấm cơ bản *Ưu điểm: + So với khuôn 3 tấm thì khuôn 2 tấm đơn giản hơn, rẻ hơn, chu kỳ ép ngắn hơn. Việc thiết kế đơn giản. + Kết cấu khuôn đơn giản hơn khuôn 3 tấm và khuôn nhiều tầng (khuôn chỉ có 2 phần core và cavity do đó chỉ cần mở 1 lần để lấy sản phẩm và kênh dẫn nhựa). + Thời gian để gia công và chế tạo khuôn ngắn hơn các loại khuôn khác (do cấu tạo khuôn đơn giản, số kênh vào nhựa ít).

+ Giá thành thấp hơn so với khuôn 3 tấm hay khuôn nhiều tầng, khuôn 2 tấm chỉ có 2 tấm nên ít tốn vật liệu và việc thiết kế ít thời gian và công sức nên giá thành thấp hơn. *Nhược điểm. + Khuôn 2 tấm chỉ sử dụng được cho các chi tiết đòi hỏi có độ chính xác thấp hơn so khuôn có kênh dẫn nóng. + Quá trình tự động hóa hoàn toàn trong quá trình làm việc thấp hơn khuôn 3 tấm do không có hệ thống cắt đuôi keo, hệ thống này tự động tách ra trong quá trình tách khuôn nên đuôi keo vẫn còn lớn (do đó phải thuê nhân công để cắt đuôi keo).

+ Phải tốn nhiều nguyên liệu hơn khuôn có kênh dẫn nóng (do sản phẩm khi sử dụng tới đuôi keo vì vậy lượng đuôi keo phế phẩm tái chế khá nhiều). + Khuôn 2 tấm thì không thể dùng để ép các sản phẩm phức tạp. Vì sự điền đầy nhựa trong khuôn 2 tấm là không kiểm soát được, và các sản phẩm của khuôn 2 tấm có rất ít 14 miệng phun nên quá trình đưa nhựa vào sản phẩm thì rất lâu nên có thể gây nhiều biến dạng cho sản phẩm. Khuôn ba tấm: Khuôn 3 tấm là khuôn ép phun dùng hệ thống kênh dẫn nguội, kênh dẫn được bố trí trên 2 mặt phẳng và khi mở khuôn thì có một khoảng mở để lấy sản phẩm ra và khoảng mở kia để lấy kênh dẫn nhựa.

Do đó, nếu lấy sản phẩm và kênh dẫn nhựa ra khỏi khuôn dùng hệ thống đẩy thì phải bố trí 2 hệ thống nên kết cấu khuôn sẽ phức tạp hơn khuôn 2 tấm. Đối với khuôn 3 tấm thì sản phẩm và kênh dẫn nhựa luôn tự động tách rời khi sản phẩm và kênh dẫn nhựa được lấy ra khỏi khuôn. Đối với sản phẩm loại lớn cần nhiều miệng phun hoặc khuôn nhiều lòng khuôn cần nhiều miệng phun thì nên dùng khuôn 3 tấm. Nhược điểm của khuôn 3 tấm là khoảng cách giữa vòi phun máy ép và lòng khuôn dài nên có thể làm giảm áp lực phun khi nhựa vào lòng khuôn.

Có thể khắc phục điều này bằng cách dùng hệ thống kênh dẫn nhựa nóng. Khuôn ba tấm được dùng khi mà toàn bộ hệ thống kênh dẫn không thể bố trí trên cùng một mặt phẳng như ở khuôn hai tấm. So với khuôn hai tấm thì hệ thống kênh dẫn của khuôn ba tấm được đặt trên tấm thứ hai song song với mặt phân khuôn chính. Chính nhờ tấm thứ hai mà kênh dẫn và cuống phun có thể được tách rời ra khỏi sản phẩm khi khuôn mở (tự cắt đuôi keo).3: Khuôn 3 tấm *Ưu điểm: + Giá thành thấp hơn so với khuôn kênh dẫn nóng cao hơn so với khuôn 2 tấm.

+ Ít bị hỏng hóc hơn khuôn có kênh dẫn nóng. + Có thể phù hợp với những vật liệu chịu nhiệt kém. * Nhược điểm: + Chu kỳ ép phun tăng do hành trình của dòng nhựa để đến được lòng khuôn dài. 15 + Lãng phí nhiều vật liệu hơn khuôn có kênh dẫn nóng (do còn có thêm hệ thống kênh dẫn trên sản phẩm).

+ Cần áp suất phun lớn hơn để điền đầy. Khuôn nhiều tầng: Khuôn nhiều tầng là khuôn ép phun do 2 hay nhiều bộ khuôn ghép lại với nhau, để tăng năng suất (tăng số lượng sản phẩm trong 1 chu kỳ ép). Khuôn nhiều tầng có thể dùng hệ thống kênh dẫn nguội hoặc kênh dẫn nóng. Hiện nay, khuôn nhiều tầng dùng kênh dẫn nóng được sử dụng rộng rãi hơn do chiều dài kênh trên khuôn nhiều tầng quá dài, khó đảm bảo nhiệt độ và áp suất.4: Khuôn nhiều tầng * Ưu điểm: + Do 2 hay nhiều khuôn ghép lại nên năng suất cao nhất trong các loại khuôn còn lại.

+ Thu hồi vốn nhanh. + Giảm số lượng máy, diện tích nhà xưởng.