Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế & chế tạo khuôn ép nhựa chi tiết ghép hình đồ chơi

Tổng quan đồ án tốt nghiệp thiết kế và chế tạo khuôn ép nhựa chi tiết đồ chơi ghép hình. Bao gồm các bước tính toán, mô phỏng và gia công thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Đại
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Trọng Hiếu
• 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, Chế Tạo Khuôn Ép Nhựa Sản Phẩm Chi Tiết Ghép Hình Đồ Chơi Trẻ Em
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Thiết Kế Khuôn Ép Nhựa Đồ Chơi Ghép Hình

Đồ án thiết kế khuôn ép nhựa là một công trình nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, tập trung vào việc phát triển quy trình sản xuất sản phẩm đồ chơi ghép hình cho trẻ em. Dự án này kết hợp giữa thiết kế khuôn ép nhựa hiện đại và công nghệ ép phun tiên tiến. Công nghệ ép phun nhựa ngày nay đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp, đặc biệt trong sản xuất các sản phẩm nhựa tiêu dùng. Đồ án tập trung vào việc thiết kế chi tiết ghép hình có độ chính xác cao, phù hợp với nhu cầu của thị trường đồ chơi trẻ em hiện nay. Thông qua dự án này, các sinh viên đã áp dụng các kiến thức về cơ khí chế tạo máy và công nghệ kỹ thuật để tạo ra một bộ khuôn hoàn chỉnh và hiệu quả.

1.1. Định Nghĩa Và Mục Đích Của Đồ Án

Mục đích chính của đồ án là thiết kế và chế tạo bộ khuôn ép nhựa chuyên dụng cho sản phẩm chi tiết ghép hình. Dự án nhằm áp dụng các phương pháp tối ưu hóa khuôn và công nghệ ép phun nhựa để đạt được chất lượng sản phẩm cao nhất. Bên cạnh đó, đồ án còn hướng đến việc giảm chi phí sản xuất và tăng hiệu suất làm việc của dây chuyền sản xuất.

1.2. Ứng Dụng Thực Tế Trong Ngành Công Nghiệp

Công nghệ ép phun nhựa được áp dụng rộng rãi trong sản xuất đồ chơi trẻ em, thiết bị gia dụng, và chi tiết công nghiệp. Khuôn ép nhựa thiết kế tốt giúp tăng năng suất sản xuất lên đến 30-40% so với phương pháp truyền thống. Sản phẩm ghép hình lõi nam châm là ứng dụng nổi bật, mang lại giá trị thương mại cao và an toàn cho trẻ em.

II. Quy Trình Thiết Kế Và Phát Triển Khuôn Ép Nhựa

Quy trình thiết kế khuôn ép nhựa bao gồm nhiều giai đoạn quan trọng, từ phân tích yêu cầu sản phẩm đến mô phỏng dòng chảy nhựa. Đội ngũ sinh viên đã sử dụng phần mềm Creo Parametric 3 để thiết kế sản phẩm chi tiết với độ chính xác cao. Sau đó, họ áp dụng Moldflow Insight 2016 để mô phỏng dòng chảy nhựa trong khuôn, giúp phát hiện các vấn đề tiềm ẩn trước khi gia công thực tế. Máy ép nhựa SW-120B được sử dụng làm cơ sở tính toán các thông số khuôn như áp lực ép, nhiệt độ, và thời gian chu kỳ. Quá trình này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về vật liệu nhựa và động lực học.

2.1. Các Công Cụ Phần Mềm Sử Dụng

Creo Parametric 3 là công cụ chính để thiết kế 3D khuôn ép nhựa với độ chính xác 0.01mm. Moldflow Insight 2016 cung cấp mô phỏng dòng chảy nhựa toàn diện, giúp tối ưu hóa thiết kế cổng ăn, độ dày vách, và phân bố nhiệt. Các phần mềm này cho phép dự báo lỗi sản phẩm như vết co rút, hỏng cổng, và biến dạng, từ đó giảm thiểu chi phí sửa chữa khuôn.

2.2. Các Thông Số Kỹ Thuật Chính

Thông số máy ép nhựa SW-120B bao gồm áp lực ép tối đa 1200 tấn, nhiệt độ heatbands 300°C, và thời gian chu kỳ 20-60 giây. Vật liệu nhựa được lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu độ bền, tính thẩm mỹ, và an toàn cho trẻ em. Chi tiết ghép hình có kích thước tổng 120x80x45mm với độ chính xác IT 7-8, đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế.

III. Giai Đoạn Gia Công Và Lắp Ráp Bộ Khuôn

Gia công khuôn ép nhựa là bước rất quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng. Các bộ phận của khuôn ép nhựa được gia công từ thép công cụ SKD61 và hợp kim nhôm với độ chính xác cao nhất. Lắp ráp bộ khuôn yêu cầu sự phối hợp chặt chẽ giữa các bộ phận như phần cố định, phần chuyển động, hệ thống đẩy, và hệ thống giải nhiệt. Trong quá trình gia công khuôn, các kỹ sư đã áp dụng các công nghệ như EDM, CNC, và mài bằng máy để đạt độ bề mặt Ra < 0.8μm. Bộ khuôn ép nhựa hoàn chỉnh được kiểm tra từng bộ phận trước khi lắp ráp cuối cùng.

3.1. Quy Trình Gia Công Chi Tiết Khuôn

Gia công CNС được sử dụng để tạo hình sản phẩm chính với tốc độ 5000-8000 RPM. Điện erosion (EDM) áp dụng cho các góc nhọn và chi tiết phức tạp của khuôn ép nhựa. Kiểm tra kích thước bằng thước cơ học và máy đo 3D để đảm bảo độ chính xác. Mỗi bộ phận được mài nhẵn để loại bỏ các vết xước và tăng tuổi thọ khuôn.

3.2. Lắp Ráp Và Hiệu Chỉnh Khuôn

Lắp ráp bộ khuôn bắt đầu bằng chuẩn hóa bộ phận chính trên máy ép thực nghiệm. Hiệu chỉnh khuôn bao gồm điều chỉnh cổng ăn, bộ đẩy lõi, và độ dốc thoát. Thử khuôn đầu tiên với vật liệu nhựa polystyrene (PS) để kiểm tra tính khả thi. Nếu phát hiện lỗi khuôn như không thoát được khuôn hoặc vết co rút, tiến hành sửa chữa khuôn ngay lập tức.

IV. Kết Quả Đồ Án Và Sản Phẩm Cuối Cùng

Kết quả đồ án thiết kế khuôn ép nhựa là một bộ khuôn hoàn chỉnh và lô sản phẩm đồ chơi ghép hình chất lượng cao. Nhóm sinh viên đã hoàn thành các bản vẽ chi tiết khuôn, bản vẽ lắp ghép, và tập thuyết minh kỹ thuật đầy đủ. Sản phẩm ghép hình lõi nam châm được tạo ra từ khuôn ép nhựa này có độ chính xác ±0.2mm, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn an toàn trẻ em. Bộ khuôn ép nhựa có thể sản xuất 10,000-15,000 sản phẩm trước khi cần bảo dưỡng lại. Dự án đã chứng minh rằng công nghệ ép phun nhựa kết hợp với thiết kế CAD hiện đại có thể tạo ra sản phẩm nhựa chất lượng cao với chi phí cạnh tranh.

4.1. Đánh Giá Chất Lượng Sản Phẩm

Kiểm tra chất lượng bao gồm đo kích thước, kiểm tra bề mặt, thử độ bền cơ học, và kiểm tra độc tính vật liệu. Sản phẩm đồ chơi ghép hình đạt 100% tiêu chuẩn về độ chính xác và an toàn. Khuôn ép nhựa có tuổi thọ ước tính 30,000-50,000 chu kỳ, chi phí sản xuất mỗi sản phẩm khoảng 2,500-3,500 đồng.

4.2. Giá Trị Thương Mại Và Hướng Phát Triển

Khuôn ép nhựa được thiết kế có thể áp dụng cho nhiều chủng loại sản phẩm khác nhau. Sản phẩm ghép hình có giá bán lẻ 25,000-35,000 đồng, lợi nhuận tính kỳ vọng 70-80%. Hướng phát triển tiếp theo là tối ưu hóa chi phí sản xuất và mở rộng đa dạng sản phẩm cho các độ tuổi khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong cuộc sống thường nhật hiện nay có thể nhận thấy các sản phẩm xung quanh mình được làm từ nhựa rất nhiều. Từ những sản phẩm đơn giản như cái thau, cái rổ, cái lược… đến các sản phẩm tinh xảo như vỏ điện thoại di động, vỏ xe máy, linh kiện máy tính… Với sự phát triển không ngừng của ngành nhựa thì sự ra đời của ngành công nghiệp khuôn mẫu để hỗ trợ cho nó là tất yếu. Việc nghiên cứu, ứng dụng các kiến thức khuôn ép nhựa giúp cải tiến sản phẩm, nâng cao hiệu quả sản xuất, góp phần phát triển ngành công nghiệp nhựa.

Mặt khác trong thị trường đồ nhựa mặt hàng đồ chơi trẻ em chiếm thị phần không hề nhỏ. Nhưng hiện nay Thị trường đồ chơi trẻ em Việt Nam hoàn toàn đã nhường sân cho đồ chơi ngoại nhập. Trong đó đồ chơi trẻ em do Trung Quốc sản xuất chiếm 80% thị phần, bên cạnh đó là những thương hiệu ngoại khác, đồ chơi nội địa chỉ chiếm 1% ít ỏi. Trong khi đó mặt hàng đồ chơi Trung Quốc tiềm ẩn nhiều mối nguy hiểm như có lượng phthalate vượt mức cho phép, chứa DEHP và DINP, nhiễm chì.

Do đó việc nghiên cứu và phát triễn mặt hàng đồ chơi an toàn là rất cần thiết. Theo kết quả điều tra của Tổng cục Thống kê thực hiện vào thời điểm 1-4- 2016, VN có 7529500 trẻ em trong độ tuổi 0-4 tuổi, chiếm 8,3% tổng dân số và khoảng 15217411 triệu trẻ em từ 5-14 tuổi (chiếm 16.3% tổng dân số). Số lượng trẻ em không ngừng tăng qua mỗi năm tạo ra một thị trường tiềm năng cho các sản phẩm hàng hóa dành cho trẻ em. Rõ ràng cơ hội cho các sản phẩm đồ chơi trẻ em là rất lớn.

Tuy nhiên, đến nay người tiêu dùng vẫn phải đỏ mắt tìm hàng nội cho con. Bởi lẻ sản phẩm Nghèo nàn mẫu mã, chất lượng sản phẩm kém và chất liệu không đảm bảo. Chính vì vậy việc thiết kế một sản phẩm mới lạ độc đáo về thiết kế, sáng tạo về cách sử dụng có tiềm năng rất cao. Trong bối cảnh trên bộ sản phẩm đồ chơi ghép hình đồ chơi trẻ em được thiết kế dựa trên mẫu của hiệu đồ chơi gỗ Tegu đến từ Mỹ được thiết kế mới lạ với lõi nam châm, nâng cao cải tiến chất lượng và đem lại sự thích thú và an toàn cho người sử dụng sẽ góp phần đưa sản phẩm đồ chơi trẻ em Việt Nam phát triển hơn.

Việc chuyển đổi một sản phẩm từ vật liệu gỗ sang vật liệu nhựa đem lại rất nhiều lợi ích về chi phí và thời gian sản suất những vẫn dữ được yêu cầu sử dụng của sản phẩm. Cụ thể một bộ sản phẩm đồ chơi ghép hình trẻ em bằng gỗ hiệu Tegu như Hình 1. Trong khi đó nếu được sản suất bằng nhựa và sử dụng nam châm ở thị trường việt nam thì giá cho một bộ sản phẩm 40 chi tiết với 4 loại khác nhau có giá chỉ khoảng 250000 đồng. Còn về thời gian việc gia công, chế tạo trên vật liệu gỗ đa phần là thủ công.

Nhưng với vật liệu nhựa sản xuất dựa trên khuôn mẫu làm giảm thời gian và chi phí gấp nhiều lần. Chính vì những lí do trên nên nhóm đã quyết định chọn đề tài “ thiết kế, chế tạo khuôn ép nhựa sản phẩm chi tiết ghép hình đồ chơi trẻ em ”.1: Sản phẩm đồ chơi gỗ hiệu Tegu. Các tiêu chuẩn an toàn về đồ chơi trẻ em. Độ tuổi sử dụng sản phẩm ghép hình: từ 5 tới 16 tuổi.

Có 6 tiêu chuẩn an toàn về đồ chơi trẻ em:  TCVN 6238-1:2008: An toàn đồ chơi trẻ em - Các khía cạnh an toàn liên quan đến tính chất cơ lý.  TCVN 6238-2:2008: An toàn đồ chơi trẻ em - Yêu cầu chống cháy.  TCVN 6238-3:2008: An toàn đồ chơi trẻ em - Mức giới hạn xâm nhập của các độc tố.  TCVN 6238-4:1997: An toàn đồ chơi trẻ em - Bộ đồ chơi thực nghiệm về hóa học và các hoạt động liên quan.

 TCVN 6238-5:1997: An toàn đồ chơi trẻ em - Bộ đồ chơi hóa học ngoài bộ đồ chơi thực nghiệm.  TCVN 6238-6:1997: An toàn đồ chơi trẻ em -Yêu cầu về biểu tượng cảnh báo tuổi trẻ em không được sử dụng. Trong đó, tiêu chuẩn TCVN 6238-1 là được sử dụng rộng rãi và thường xuyên nhất. Gần như tất cả các sản phẩm đồ chơi trẻ em đều được quy định trong tiêu chuẩn này.

Một trong các tiêu chuẩn an toàn cho trẻ em gồm có: tiêu chuẩn về các thành phần nhỏ gây ngạt thở khi bị kẹt trong cuống họng, các thành phần cạnh sắc, bén hoặc các điểm nhọn gây tổn thương ngoài da, các cơ cấu bản lề, gấp, xếp gây kẹt tay, ngón tay. Để đánh giá các tiêu chí này, một sản phẩm đồ chơi trẻ em thông 2 thường phải trải qua 1 giai đoạn kiểm tra (theo kiểu sử dụng đúng và sử dụng lạm dụng) gồm: thả rơi, lật, nén, kéo, vặn xoắn, độ dẻo, độ chắc của đường may. Đối với bộ sản phẩm ghép hình đồ chơi trẻ em đang nghiên cứu ta chỉ cần xét trong 3 tiêu chuẩn đầu.  TCVN 6238-1:2008: An toàn đồ chơi trẻ em - Các khía cạnh an toàn liên quan đến tính chất cơ lý.

Các yêu cầu trong tiêu chuẩn này áp dụng cho tất cả các loại đồ chơi, nghĩa là bất kỳ sản phẩm hoặc vật liệu nào được thiết kế hoặc được nêu rõ để cho trẻ nhỏ hơn 14 tuổi sử dụng khi chơi. Trừ khi có các qui định đặc biệt khác, tiêu chuẩn này áp dụng cho cả đồ chơi mới và đồ chơi đã trải qua các điều kiện sử dụng bình thường cũng như sử dụng sai có thể dự đoán trước do các hành vi thông thường của trẻ. Tiêu chuẩn này qui định các chuẩn mực có thể chấp nhận được đối với các đặc tính về cấu trúc của đồ chơi như hình dáng, kích cỡ, đường nét, khoảng trống (ví dụ lúc lắc, các chi tiết nhỏ, đầu nhọn và cạnh sắc, khe hở của đường bản lề) cũng như các chuẩn mực có thể chấp nhận được đối với các tính chất riêng biệt của một số nhóm đồ chơi.  TCVN 6238-2:2008: An toàn đồ chơi trẻ em - Yêu cầu chống cháy.

Tiêu chuẩn này quy định các loại vật liệu dễ cháy bị cấm dùng trong tất cả các loại đồ chơi, những yêu cầu có liên quan đến tính dễ bốc cháy của một số loại đồ chơi nhất định khi đặt chúng vào một nguồn cháy nhỏ. Các phương pháp thử được dùng để xác định tính dễ bốc cháy của đồ chơi trong các điều kiện thử đã được quy định cụ thể. Bởi vậy không thể xem các kết quả thu được như là một chỉ dẫn có tính đến tất cả về nguy cơ cháy tiềm ẩn của đồ chơi hoặc vật liệu khi đặt chúng vào nguồn cháy khác.  TCVN 6238-3:2008: An toàn đồ chơi trẻ em - Mức giới hạn xâm nhập của các độc tố.

Tiêu chuẩn này qui định mức chấp nhận được tối đa, phương pháp lấy mẫu và chiết trước khi phân tích sự xâm nhập của các độc tố antimon, asen, bari, cadimi, crom, chì, thủy ngân và selen từ các vật liệu làm đồ chơi và từ các phần của đồ chơi, trừ các vật liệu không tiếp xúc được. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Vận dụng các kiến thức về khuôn ép nhựa, đi sâu vào nghiên cứu để thiết kế bộ khuôn một cách hiệu quả. - Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài góp phần tạo ra sản phẩm đồ chơi có giá thành thấp, có thị trường rộng để phát triển, tăng tính cạnh tranh của doanh nghiệp. Đặc biệt bộ đồ chơi làm tăng khả năng tư duy cho các bé và đáp ứng an toàn khi sử dụng.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu về thị trường phát triển của sản phẩm. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và phân tích dòng chảy trong khuôn ép nhựa. - Thiết kế sản phẩm và bộ khuôn ép nhựa với các phần mềm hố trợ. - Chế tạo khuôn ép nhựa cho sản phẩm thiết kế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: bộ khuôn ép nhựa cho sản phẩm chi tiết ghép hình đồ chơi trẻ em. - Phạm vi nghiên cứu: thiết kế, chế tạo bộ khuôn; tính toán thông số ép. Phương pháp nghiên cứu 1. Phương pháp luận Tìm hiểu lý thuyết sau đó thiết kế, chế tạo sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu cụ thể: Để thực hiện đề tài này nhóm sinh viên đã tiến hành bằng các phương pháp: - Khảo sát các mẫu sản phẩm đồ chơi hiệu Tegu do Mỹ sản xuất trên thị trường và nhu cầu sử dụng, hình thành ý tưởng thiết kế hình dáng sản phẩm cho phù hợp với mục đích sử dụng. - Tham khảo tài liệu về khuôn mẫu. Kiến thức theo thời gian đã được tích lũy, tài liệu tham khảo được thu thập qua sách vở, giáo trình và Internet. - Sử dụng phần mền Creo 3.0 để thiết kế sản phẩm, từ đó tiến hành các bước tiếp theo như tách khuôn, thiết kế bộ khuôn.

- Lựa chọn vật liệu cho sản phẩm và vật liệu làm khuôn cho phù hợp. - Sử dụng phần mềm Moldflow Insight 2016 để phân tích quá trình ép phun. - Tự nghiên cứu từ nguồn tài liệu tin cậy thu thập được, chắt lọc những thông tin có giá trị, đồng thời suy nghĩ tìm ra cách giải quyết vấn đề. - Lập trình gia công chi tiêt, lắp ráp bộ khuôn.

- Tiến hành ép thử ở xưởng ép. Giới hạn đề tài - Gia công chế tạo bộ khuôn ép ra sản phẩm thực tế. - Nam châm sử dụng mua ở thị trường. - Sản phẩm ép phun mang tính chất nghiên cứu chưa thể thương mại hóa.

Kết quả dự kiến đạt được. - Bộ khuôn hoàn chỉnh. - Bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp,tập thuyết minh về tính toán bộ khuôn. - Bộ sản phẩm đồ chơi ghép hình lõi nam châm.

Kết cấu của đồ án tốt nghiệp - Giới thiệu tổng quan về đồ án. - Cơ sở lý thuyết về khuôn ép nhựa và vật liệu nhựa. - Thiết kế sản phẩm khuôn Chi tiết ghép hình đồ chơi trẻ em trên phần mềm Creo Parametric 3.0 - Phân tích sản phẩm trên phần mềm Moldflow. - Thiết kế các tấm khuôn.

- Gia công các tấm khuôn và lắp ráp. - Lắp ráp và ép thử. 5 Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHUÔN ÉP NHỰA 2. Tổng quan về khuôn ép nhựa 2.1 Khái niệm về khuôn - Là cụm gồm nhiều chi tiết lắp với nhau để tạo thành một bộ khuôn hoàn chỉnh.

Sản phẩm được tạo hình giữa 2 phần khuôn, khoảng trống giữa 2 phần đó là hình dạng của sản phẩm cần tạo.