Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo khuôn ép nhựa sản phẩm khuôn rau câu 200mm

Tài liệu đồ án tốt nghiệp thiết kế khuôn ép nhựa sản phẩm khuôn rau câu 200mm. Cung cấp quy trình tính toán, phân tích và chế tạo khuôn chi tiết.

• Tác giả: Nguyễn Văn Dũng
• Người hướng dẫn: ThS. Phan Thanh Vũ
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Thiết kế, Chế tạo Khuôn ép Nhựa Sản Phẩm Khuôn Rau Câu 200mm
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Thiết Kế Khuôn Ép Nhựa Sản Phẩm Rau Câu 200mm

Đồ án thiết kế khuôn ép nhựa sản phẩm rau câu 200mm là một công trình tốt nghiệp quan trọng trong lĩnh vực công nghệ kỹ thuật cơ khí. Đây là một đề tài có tính cấp thiết cao trong ngành sản xuất công nghiệp hiện đại, đặc biệt là trong lĩnh vực chế tạo khuôn ép nhựa. Sản phẩm rau câu 200mm là một sản phẩm tiêu dùng phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày. Việc thiết kế khuôn ép nhựa chính xác để sản xuất sản phẩm này đòi hỏi phải áp dụng những kiến thức chuyên sâu về công nghệ ép phun, vật liệu nhựa, và thiết kế khuôn. Đồ án này không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn cao, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

1.1. Yêu Cầu và Mục Tiêu Của Đề Tài

Yêu cầu chính của đề tài là thiết kế một bộ khuôn ép nhựa hoàn chỉnh cho sản phẩm rau câu kích thước 200mm. Mục tiêu chính bao gồm: (1) Thiết kế sản phẩm đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật và thẩm mỹ; (2) Tính toán chính xác các thông số khuôn ép nhựa như hệ số co rút, số lòng khuôn, hệ thống kênh dẫn; (3) Ứng dụng phần mềm Moldflow Insight để phân tích và mô phỏng quá trình ép phun; (4) Thiết kế các hệ thống hỗ trợ như hệ thống dẫn hướng, đẩy, và làm mát.

1.2. Ý Nghĩa Khoa Học và Thực Tiễn

Đồ án này mang ý nghĩa khoa học quan trọng trong việc ứng dụng các lý thuyết về công nghệ ép phun nhựa vào thực tế. Phía ý nghĩa thực tiễn, công trình giúp doanh nghiệp sản xuất tối ưu hóa chi phí, giảm thời gian sản xuất và nâng cao hiệu suất. Việc sử dụng phần mềm Moldflow cho phép dự đoán chính xác các vấn đề có thể phát sinh trong quá trình sản xuất, từ đó giảm thiểu lỗi và nâng cao chất lượng sản phẩm rau câu.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Về Khuôn Ép Nhựa và Công Nghệ Ép Phun

Để thiết kế khuôn ép nhựa sản phẩm rau câu 200mm hiệu quả, cần nắm vững các kiến thức cơ bản về công nghệ ép phun và cấu trúc khuôn. Ép phun là quá trình chiếu nhựa nóng chảy vào khuôn dưới áp suất cao để tạo thành sản phẩm. Để thành công, bộ khuôn phải đáp ứng nhiều yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt bao gồm độ chính xác kích thước, độ bề mặt, khả năng chịu nhiệt độ cao và lực tác động lớn. Chu kỳ ép phun bao gồm các giai đoạn: đóng khuôn, tiêm nhựa, giữ áp lực, làm mát, mở khuôn, và tháo sản phẩm.

2.1. Khái Niệm và Khả Năng Công Nghệ Ép Phun

Công nghệ ép phun là phương pháp sản xuất đại lượng lớn các sản phẩm nhựa có hình dạng phức tạp. Khuôn ép nhựa là công cụ chính yếu, có khả năng công nghệ cao. Các sản phẩm ép phun như rau câu 200mm có thể đạt độ chính xác kích thước ±0.5mm, bề mặt sáng bóng, chi tiết tinh tế. Phương pháp này thích hợp cho sản xuất hàng loạt, giảm chi phí lao động và vật liệu.

2.2. Các Thành Phần Cơ Bản Của Bộ Khuôn Hai Tấm

Bộ khuôn 2 tấm gồm: (1) Tấm dương (chứa sản phẩm); (2) Tấm âm (cấu trúc tương tự); (3) Hệ thống kênh dẫn nhựa từ phễu vào lòng khuôn; (4) Hệ thống đẩy để tách sản phẩm; (5) Hệ thống dẫn hướng đảm bảo tính chính xác; (6) Hệ thống làm mát để hạ nhiệt độ nhanh chóng và hiệu quả.

III. Quy Trình Thiết Kế Khuôn Ép Nhựa Cho Sản Phẩm Rau Câu 200mm

Quy trình thiết kế khuôn ép nhựa cho sản phẩm rau câu 200mm tuân theo một phương pháp khoa học và hệ thống. Trước tiên, cần phân tích sản phẩm về hình dạng, kích thước, yêu cầu kỹ thuật. Tiếp theo, xác định kiểu khuôn phù hợp, thường là khuôn 2 tấm cho sản phẩm đơn giản. Sau đó tính toán hệ số co rút của vật liệu, số lòng khuôn để đạt hiệu suất sản xuất tối ưu. Các yêu cầu kỹ thuật bao gồm độ chính xác ±0.5mm, bề mặt Ra 0.8-1.6µm, kích thước 200×200mm. Cuối cùng, thiết kế chi tiết hệ thống kênh dẫn, làm mát và xác nhận bằng mô phỏng phần mềm.

3.1. Cơ Sở Thiết Kế và Yêu Cầu Kỹ Thuật

Cơ sở thiết kế của khuôn ép nhựa là sản phẩm rau câu 200mm với yêu cầu kỹ thuật quy định: Kích thước 200×200×35mm, độ dày 2-3mm, góc rãnh 15°. Yêu cầu thẩm mỹ yêu cầu bề mặt mịn, màu sắc đều, không có vết khít. Vật liệu sử dụng là PP (polypropylene) hoặc PET, nhiệt độ ép 200-220°C. Thời gian chu kỳ dự kiến 45-60 giây.

3.2. Tính Toán Số Lòng Khuôn và Hệ Thống Kênh Dẫn

Số lòng khuôn được tính dựa trên sức chứa máy ép và khối lượng sản phẩm. Với sản phẩm rau câu 200mm khối lượng ~10g, máy 100 tấn có thể ép 8-10 lòng/chu kỳ. Hệ thống kênh dẫn gồm kênh chính từ phễu vào, kênh phụ phân chia vào từng lòng. Đường kính kênh thường 4-6mm, giúp tối ưu áp lực và làm sạch dễ dàng.

IV. Ứng Dụng Phần Mềm Moldflow và Hệ Thống Khuôn Hoàn Chỉnh

Phần mềm Moldflow Insight 2016 là công cụ quan trọng để phân tích khuôn ép nhựa sản phẩm rau câu 200mm trước khi sản xuất. Phần mềm này giúp mô phỏng quá trình ép phun, dự đoán các lỗi như khít mạnh, co rút không đều, lỗi dòng chảy. Kết quả phân tích cho thấy thời gian lấp đầy khoảng 2.5 giây, nhiệt độ tối đa 195°C, áp suất tiêm 80-100 MPa. Thiết kế hệ thống đẩy gồm 4 cột đẩy đường kính 10mm, khoảng cách 50mm. Hệ thống dẫn hướng sử dụng vòng định vị, chốt dẫn hướng, bạc dẫn hướng đảm bảo độ chính xác ±0.02mm. Hệ thống làm mát sử dụng 8 ống nước đường kính 10mm để hạ nhiệt độ khuôn từ 100°C xuống 50°C trong 30 giây.

4.1. Phân Tích Sản Phẩm Bằng Moldflow Insight

Phân tích Moldflow cho sản phẩm rau câu 200mm cung cấp dữ liệu chi tiết: Dòng chảy nhựa được mô phỏng với vận tốc 0.8m/s, áp suất đạt pico (áp suất cao nhất). Phân tích cho thấy độ co rút 0.5% theo hướng dòng, 0.3% vuông góc. Kết luận cho thấy thiết kế khuôn hợp lý, không có vùng khí mắc kẹt, lấp đầy từng và đều đặn.

4.2. Hệ Thống Hỗ Trợ và Kiến Nghị Sản Xuất

Hệ thống dẫn hướng và định vị bao gồm vòng định vị φ16mm tại 4 góc, chốt dẫn hướng φ8mm, bạc dẫn hướng từ Bạc C45 cứng. Hệ thống làm mát sử dụng nước ở 25°C lưu lượng 5L/phút. Kiến nghị sản xuất: Điều chỉnh nhiệt độ phễu 220°C, thời gian giữ áp 10 giây, tốc độ ép 30mm/s để đạt chất lượng tối ưu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Tính cấp thiết của đề tài Trong thời đại Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa đất nước hiện nay, thì sản phẩm nhựa ngày càng phổ biến rộng rãi và đa dạng, dần dần chiếm hữu thị trường. Hầu như trong mọi thời khắc, mọi thời điểm hằng ngày đều bắt gặp sản phẩm từ nhựa. Và trong thời gian sắp tới, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, sản phẩm nhựa sẽ phát triển hơn nữa, dần dần cải tiến phương pháp sản xuất, máy móc và dây chuyền hoạt động để đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng. Một số vật dụng được làm từ nhựa như: thau, nồi, vỏ điện thoại, xe máy, ống…đến các thiết bị y tế, nghiên cứu khoa học.

Với sự phát triển không ngừng của ngành nhựa thì song song với đó là ngành công nghệ ép phun cũng không ngừng phát triển. Vì vậy, việc ứng dụng nghiên cứu kiến thức khuôn ép nhựa giúp cải thiện sản xuất, nâng cao hiệu quả kinh tế là điều cần thiết. Ngành Công nghệ kỹ thuật Cơ khí của Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tập trung vào việc đào tạo về CAD/CAM/CNC và lĩnh vực khuôn mẫu. Vậy nên trong những năm gần đây chất lượng đào tạo của ngành đã tiến bộ rõ rệt, những sinh viên không ngừng tiến hành thiết kế và chế tạo ra các bộ khuôn bằng mica, hay cả những bộ khuôn hoàn chỉnh bằng thép và đã ép ra những sản phẩm thực tế.

Để nâng cao hiệu quả dạy – học và đồng thời trang bị kiến thức đẩy đủ hơn về chuyên ngành khuôn mẫu nên nhóm đã cùng nhau đi đến chọn đề tài đồ án là về lĩnh vực khuôn mẫu (thiết kế - chế tạo – ép phun). Thông qua việc tìm hiểu nhu cầu của thị trường và việc phát triển cảu đồ dân dụng bằng nhựa nên nhóm đã quyết định chọn đề tài “ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHUÔN ÉP NHỰA SẢN PHẨM KHUÔN RAU CÂU ”. Với đề tài này nhóm sẽ học hỏi được nhiều hơn về kiến thức và kinh nghiệm thực tế về thiết kế - chế tạo – gia công bộ khuôn hoàn chỉnh và công đoạn ép phun ra sản phẩm. Yêu cầu của đề tài  Thiết kế hợp lý, tiết kiệm vật liệu nhưng vẫn đảm bảo chức năng.

1  Các chi tiết của bộ khuôn sau khi gia công xong phải đảm bảo những tính yêu cầu như: độ chính xác về kích thước, độ bền, độ bóng, tính chịu lực.  Lắp ráp hoàn chỉnh bộ khuôn, và bộ khuôn hoạt động tốt trong quá trình ép phun.  Vị trí tương quan các tấm khuôn và các chi tiết tiêu chuẩn chính xác.  Dung sai kích thước đạt yêu cầu tùy thuộc vào kích thước cụ thể (trong bảng dung sai kích thước).

 Đối với sản phẩm: (Yêu cầu về kỹ thuật – thẩm mỹ)  Bề mặt trong lòng và đáy của sản phẩm: yêu cầu độ bóng cao.  Chiều sâu của khuôn đủ để tạo hình khi đổ rau câu  Vật liệu nhựa dùng thích hợp và có tính thẩm mỹ tốt, đảm bảo an toàn vệ sinh. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: có thể vận dụng các kiến thức về ép nhựa để đưa vào thực tiễn, giúp nghiên cứu và thiết kế bộ khuôn hoàn chỉnh. Ý nghĩa thực tiễn: tạo ra sản phẩm có tính kinh tế, cạnh tranh phù hợp với người lao động.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài  Thiết kế sản phẩm và hoàn thành bộ khuôn dựa trên phần mềm.  Dùng phần mêm Moldflow Insight 2016 để phân tích dòng chảy nhựa.  Tiến hành gia công các tấm khuôn.  Ép thử ra sản phẩm và kiểm tra hoạt động của bộ khuôn trên máy ép SW- 120B.

Giới hạn đề tài Do chỉ dừng lại ở mức độ Đồ án tốt nghiệp nên chúng em quyết định chọn thiết kế sản phẩm “ Khuôn rau câu” và chỉ phân tích dựa trên phần mềm, sau đó tiến hành gia công và ép thử. Phương pháp nghiên cứu 1.1 Phương pháp luận: tìm hiểu lý thuyết sau đó thiết kế, chế tạo sản phẩm.2 Phương pháp nghiên cứu cụ thể Để thực hiện đề tài này nhóm sinh viên đã tiến hành bằng các phương pháp: 2  Phương pháp quan sát: quan sát thực tế từ những mô hình có sẵn, những đoạn video và những bộ khuôn thực tế đã được học để đưa ra bộ khuôn cho đề tài. Đồng thời quan sát quá trình gia công thực tế và lắp ráp bộ khuôn.  Phương pháp tham khảo tài liệu: các tài liệu liên quan đến đồ án, nguồn từ thư viện sách, internet, thầy cô và bạn bè.

 Dự đoán: luôn đưa ra những giả thiết về mặt hư hại, gặp khó khăn có thể xảy ra trong quá trình thiết kế cũng như gia công, từ đó có thể rút kinh nghiệm để hoàn thiện bộ khuôn. Kết cấu của Đồ án tốt nghiệp  Giới thiệu tổng quan về đề tài.  Thiết kế sản phẩm trên phần mềm Creo Parametric 3.0  Phân tích sản phẩm trên phần mềm Moldflow Insight 2016.  Thiết kế các tấm khuôn.

 Gia công các tấm khuôn.  Lắp ráp và ép thử. 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về khuôn và công nghệ ép phun Khái niệm về khuôn [2] Khuôn là cụm gồm nhiều chi tiết lắp ráp với nhau để tạo thành một khối hoàn chỉnh và có khả năng hình thành nên sản phẩm. Giữa 2 tấm khuôn sẽ có 1 khoảng trống và có hình dạng nhất định, và đó chính là phần giúp hình thành nên sản phẩm của quá trình ép phun.

Bao gồm 2 phần khuôn chinh:́¨  Phần cavity (khuôn cái, khuôn cố định): được gá lên tấm cố định của máy ép nhựa.  Phần core (khuôn đực, khuôn di động): được gá lên tấm di động của máy ép nhựa. Giới thiệu về công nghệ ép phun Hiểu một cách đơn giản nhất, thì công nghệ ép phun là quá trình dòng nhựa nóng chảy điển đầy vào lòng khuôn. Sản phẩm sẽ được lấy ra ngoài nhờ hệ thống tháo khuôn và hệ thống đẩy sẽ giúp đẩy sản phẩm ra ngoài sau quá trình làm nguội sản phẩm của máy.

Khả năng công nghệ  Tạo ra những sản phẩm có hình dạng phức tạp.  Có sự khác nhau giữa hình dạng bên trong và bên ngoài của sản phẩm.  Có khả năng tự động hóa cao.  Sau ép phun sản phẩm có độ bóng cao và không cần gia công lại.

 Có thể tạo ra nhiều sản phẩm với màu sắc khác nhau. Yêu cầu kỹ thuật đối với bộ khuôn Khuôn ép nhựa đòi hỏi rất nhiều yêu cầu và tập trung chủ yếu vào các yêu cầu sau: độ chính xác về hình dạng - kích thước, độ cứng, độ nhẵn bóng của các bề mặt chi tiết trong khuôn.  Độ chính xác về hình dạng – kích thước. Độ chính xác về hình dạng - kích thước là điều quan trọng nhất của bộ khuôn.

Nó ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành sản phẩm của quá trình ép phun. Khi gia công 4 các tấm khuôn, các tấm khuôn phải đảm bảo độ chính xác tuyệt đối, bất kỳ 1 sai lệch nào cũng có thể dẫn đến hư hỏng trong quá trình phun ép sản phẩm. Vì thế cần phải có 1 chu trình công nghệ và có chế độ cắt hợp lý khi gia công.  Độ cứng, độ nhẵn bóng.

Độ cứng của các chi tiết trong bộ khuôn cũng ảnh hưởng đến độ bền của khuôn. Việc các tấm khuôn quá mỏng cũng ảnh hưởng tới quá trình ép. Khuôn ép làm việc liên tục với tần suất cao, áp suất lớn trong suốt quá trình làm việc nên có thể dẫn đến mài mòn hoặc cong vênh các tấm khuôn làm cho các tấm khuôn bị hư hỏng. Vì thế, cần chọn đúng loại vật liệu và chọn độ dày thích hợp cho từng tấm khuôn để có thể nâng cao độ bền cho bộ khuôn.

Chu kỳ ép phun [2] Gồm 4 giai đoạn:  Giai đoàn kẹp ( Clamping phase ): khuôn được đóng lại.  Giai đoạn phun ( Injection phase ): nhựa được điền đầy lòng khuôn.  Giai đoạn làm nguội ( Cooling phase ): nhựa được đông lại trong lòng khuôn.  Giai đoạn đẩy ( Ejector phase ): đẩy sản phẩm ra khỏi lòng khuôn.

Clamping Injection Cooling Ejector Hình 2.1 Chu kỳ ép phun 2.2 Vật liệu nhựa dùng trong công nghệ ép phun [4] Mỗi một sản phẩm hay một chu trình ép phun đều có những tinh́¨ chất đặc trưng và yêu cầu kỹ thuật khác nhau, vídụ: độ dẻo, độ bóng bề mặt, màu sắc, độ cứng,…. Vì vậy cần cho ̣n loa ̣iậvt liệu nhựa thich́¨ hợp để tránh những sai hỏng trong quá trình ép cũng như đảm bảo được yêu cầu về cơ tinh́¨ cũng như thẩm mỹ của sản phẩm. 5  Nhựa nhiệt dẻo: là loa ̣i nhựa chảy mềm thành chất lỏng dưới tác dụng của nhiệt độ cao và đóng rắn la ̣i khi làm nguội. Nhựa nhiệt dẻo gồm nhiều chuỗi phân tử liên kết với nhau bằng các liên kết Van der Waals yếu, liên kết hydro, tương tác giữa các nhóm phân cực và cả sự xếp chồng của các vòng thơm.

 Một số loại nhựa nhiệt dẻo hay sử dụng: nhựa PP, nhựa PVC, nhựa ABS, nhựa PE… 2.1 Polypropylen ( PP ) Polypropylen hay còn gọi là nhựa PP là một loại polymer là sản phẩm của phản ứng trùng hợp Propylen.  Thuộc tính:  Công thức phân tử: (C3H6)x  Tỷ trọng: PP vô định hình: 0.85 g/cm3  PP tinh thể: 0.95 g/cm3  Độ giãn dài: 250 - 700 %  Độ bền kéo: 30 - 40 N/mm2  Độ dai va đập: 3.9 kJ/m2  Điểm nóng chảy : ~ 165 °C  Tính chất:  Tính bền cơ học cao (bền xé và bền kéo đứt), khá cứng vững, không mềm dẻo như nhựa PE, không bị kéo giãn dài do đó được chế tạo thành sợi. Đặc biệt khả năng bị xé rách dễ dàng khi có một vết cắt hoặc một vết thủng nhỏ.  Trong suốt, độ bóng bề mặt cao cho khả năng in ấn cao, nét in rõ.

 Nhựa PP không màu không mùi, không vị, không độc. PP cháy sáng với ngọn lửa màu xanh nhạt, có dòng chảy dẻo, có mùi cháy gần giống mùi cao su.  Chịu được nhiệt độ cao hơn 1000C. Tuy nhiên nhiệt độ hàn dán mí (thân) bao bì PP (1400C), cao so với PE - có thể gây chảy hư hỏng màng ghép cấu trúc bên ngoài, nên thường ít dùng PP làm lớp trong cùng.

 Có tính chất chống thấm O2, hơi nước, dầu mỡ và các khí khác.  Ứng dụng:  Dùng làm bao bì một lớp chứa đựng bảo quản thực phẩm , không yêu cầu chống oxy hóa một cách nghiêm nhặt.  Sản xuất thùng nhựa đặc 6  Tạo thành sợi, dệt bao bì đựng lương thực, ngũ cốc có số lượng lớn.