Đồ án: tốt nghiệp thiết kế chế tạo module gia nhiệt bằng khí nóng cho

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp thiết kế chế tạo module gia nhiệt bằng khí nóng cho khuôn phun ép, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Huỳnh Minh Trí
• Người hướng dẫn: TS. 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, Chế Tạo Module Gia Nhiệt Bằng Khí Nóng Cho Khuôn Phun Ép
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Thiết kế Chế tạo Module Gia Nhiệt

Đồ án tốt nghiệp thiết kế chế tạo module gia nhiệt là một dự án học tập quan trọng của sinh viên ngành Công nghệ chế tạo máy tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM. Dự án này tập trung vào thiết kế và chế tạo hệ thống gia nhiệt bằng khí nóng dành cho khuôn phun ép nhựa, nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm trong quy trình sản xuất. Nhóm sinh viên gồm ba thành viên: Huỳnh Minh Trí, Lê Chí Đạt và Trần Thành Duy đã thực hiện đồ án này dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Sơn Minh. Mục tiêu chính của dự án là nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến chất lượng sản phẩm phun ép, đồng thời phát triển một phương pháp gia nhiệt hiệu quả sử dụng công nghệ khí nóng tiên tiến.

1.1. Nội dung chính của đồ án

Đồ án bao gồm ba phần chính: nghiên cứu công nghệ phun ép nhựa và phương pháp gia nhiệt bề mặt khuôn, thiết kế mạch điện điều khiển và hệ thống gia nhiệt, cùng mô phỏng quá trình gia nhiệt bằng phần mềm ANSYS CFX. Nhóm đã thiết kế ba phiên bản module gia nhiệt khác nhau để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng khác nhau.

1.2. Mục tiêu và ý nghĩa

Dự án nhằm phát triển công nghệ gia nhiệt tiên tiến cho khuôn phun ép, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa và hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình sản xuất. Kết quả của đồ án có ứng dụng thực tiễn cao trong ngành công nghiệp sản xuất nhựa.

II. Phương pháp Gia Nhiệt bằng Khí Nóng cho Khuôn Phun Ép

Phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng là một công nghệ hiện đại được áp dụng rộng rãi trong ngành sản xuất nhựa. Phương pháp này sử dụng dòng khí nóng để truyền nhiệt đều đặn và kiểm soát nhiệt độ khuôn phun ép một cách chính xác. So với các phương pháp gia nhiệt truyền thống, gia nhiệt khí nóng mang lại những lợi ích vượt trội về hiệu quả năng lượng, độ chính xác nhiệt độ và chất lượng sản phẩm. Hệ thống này giúp giảm thời gian chu kỳ sản xuất, hạn chế biến dạng sản phẩm và cải thiện tính thẩm mỹ của các sản phẩm nhựa được phun ép. Module gia nhiệt trong đồ án sử dụng ba thiết kế khác nhau với số lượng vòi phun khí từ 1 đến 4 vòi, cho phép linh hoạt trong ứng dụng.

2.1. Nguyên lý hoạt động hệ thống

Hệ thống gia nhiệt khí nóng hoạt động bằng cách tạo ra một dòng khí nóng có kiểm soát thông qua các vòi phun để truyền nhiệt cho bề mặt khuôn. Mạch điều khiển điện được thiết kế để duy trì nhiệt độ ổn định, với cảm biến nhiệt độ giám sát liên tục. Nguyên lý này đảm bảo rằng bề mặt khuôn luôn duy trì nhiệt độ tối ưu cho quá trình phun ép.

2.2. Ứng dụng mô phỏng CFX

Nhóm sử dụng phần mềm ANSYS CFX để mô phỏng quá trình gia nhiệt bề mặt khuôn. Mô phỏng này giúp dự đoán phân bố nhiệt độ, tốc độ dòng khí và hiệu quả truyền nhiệt. Kết quả mô phỏng cung cấp dữ liệu quý báu để tối ưu hóa thiết kế module gia nhiệt và cải thiện hiệu suất hệ thống.

III. Thiết kế và Chế tạo Module Gia Nhiệt

Thiết kế module gia nhiệt là một phần quan trọng của đồ án, bao gồm thiết kế cơ học, điện và điều khiển. Nhóm đã phát triển ba phiên bản khác nhau: module 2 tấm 1 vòi phun khí, module 2 tấm 2 vòi phun khí, và module 3 tấm 4 vòi phun khí. Mỗi phiên bản được thiết kế tối ưu để phù hợp với các yêu cầu ứng dụng khác nhau. Quá trình chế tạo bao gồm xuất bản vẽ chi tiết, gia công tấm gia nhiệt, lắp ráp khung đỡ, và kiểm tra chất lượng. Mạch điện điều khiển được thiết kế riêng biệt để điều chỉnh công suất và duy trì nhiệt độ hoạt động ổn định. Toàn bộ hệ thống được lắp ráp hoàn chỉnh và thử nghiệm với cánh tay robot 4 trục để đảm bảo tính khả dụng.

3.1. Các phiên bản thiết kế module

Module 2 tấm 1 vòi phù hợp cho các khuôn nhỏ, module 2 tấm 2 vòi cung cấp gia nhiệt đều hơn, và module 3 tấm 4 vòi dành cho khuôn lớn phức tạp. Mỗi thiết kế được tối ưu hóa về layout, khả năng gia nhiệt và khả năng kiểm soát nhiệt độ. Tấm gia nhiệt được chế tạo từ vật liệu có tính dẫn nhiệt cao.

3.2. Mạch điều khiển và hệ thống điện

Mạch điện điều khiển sử dụng công nghệ PID để điều chỉnh nhiệt độ khuôn một cách chính xác. Mạch động lực được thiết kế để cung cấp năng lượng ổn định cho hệ thống. Giao diện điều khiển cho phép nhân viên điều chỉnh thông số nhiệt độ dễ dàng và giám sát hoạt động hệ thống.

IV. Kết quả và Ứng dụng Thực Tiễn

Kết quả của đồ án bao gồm một hệ thống gia nhiệt hoàn chỉnh dành cho khuôn phun ép, cùng với phương pháp mô phỏng chi tiết để nghiên cứu quá trình gia nhiệt. Sản phẩm cuối cùng đã được lắp ráp hoàn thiện và thử nghiệm thành công với robot 4 trục, chứng minh tính khả dụng của hệ thống. Hệ thống này phục vụ cho nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến chất lượng sản phẩm phun ép nhựa, cung cấp một công cụ quý báu cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư sản xuất. Module gia nhiệt có thể được áp dụng trong các nhà máy sản xuất nhựa để cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm khuyết tật và tăng hiệu suất sản xuất. Dự án này mở ra hướng phát triển mới cho công nghệ gia nhiệt trong ngành nhựa tại Việt Nam.

4.1. Sản phẩm và thành quả

Nhóm đã hoàn thành module gia nhiệt bằng khí nóng với ba phiên bản khác nhau, mạch điều khiển tinh vi, và phương pháp mô phỏng ANSYS CFX. Tất cả sản phẩm đều đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và hoạt động ổn định. Báo cáo chi tiết về quá trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm đã được lập thành công.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Trong tương lai, hệ thống gia nhiệt này có thể được nâng cấp với công nghệ AI để tự động điều chỉnh nhiệt độ. Nghiên cứu thêm về hiệu quả năng lượng và chi phí sản xuất sẽ giúp tối ưu hóa hơn nữa. Mục tiêu dài hạn là phổ biến công nghệ này trong các nhà máy sản xuất nhựa tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN. Khái quát tình hình chung của ngành khuôn mẫu ép nhựa ở Việt Nam. Giới thiệu công nghệ ép phun. Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến chất lượng sản phẩm.

Phương pháp gia nhiệt cho khuôn phun ép bằng khí nóng.3 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Giới thiệu chung phần mềm Ansys. Giới thiệu về phần mềm ANSYS – Module CFX. Ứng dụng ANSYS – CFX trong mô phỏng quá trình gia nhiệt cho bề mặt khuôn.

10 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MODULE GIA NHIỆT. Thiết kế cơ khí: Module gia nhiệt. Thiết kế mạch điện điều khiển module gia nhiệt cho khuôn ép phun. Chế tạo hoàn chỉnh lắp mạch điện.

Hình ảnh tổng quan thực tế. 49 CHƯƠNG 4 KIỂM TRA - ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ. Kiểm tra, so sánh và đánh giá kết quả:. 57 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN - HƯỚNG PHÁT TRIỂN.

Hướng phát triển:. 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 80 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2: Thông số Inflation.1: Thông số Inflation 2.2: Thông số Inflation 3.3: Thông số sizing. 23 Bảng 3: Bảng thông số cảm biến nhiệt.1: Thông số điều khiển nhiệt độ.

46 ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Các sản phẩm nhựa.1: Cơ cấu máy ép phun.2: Sản phẩm không điền đầy.3: Sản phẩm bị lỗi đường hàn.4: Sản phẩm bị rỗ khí.5: Vùng gia nhiệt.4 Hình 2: Phần mềm Ansys.1: Mô phỏng đàn hồi tuyến tính.2: Mô phỏng dòng chảy.3: Mô phỏng ứng suất chi tiết.4: Mô phỏng dòng chảy của khí.5: Tiến trình giải bái toán Ansys - CFX.6: Giao diện cần thực hiện của CFX.7: Kết quả của mô phỏng CFX.3: Hai tấm ghép lại.6: Hai tấm ghép lại.8: Tấm trung gian.10: Vật liệu cách nhiệt.11: Khối gia nhiệt 1 vòi phun.12: Khối gia nhiệt 2 vòi phun.13: Mạch điện điều khiển heater.14: Mạch điện điều khiển điện trở kết hợp điều khiển van khí nén 2/2.15: Mô phỏng mạch điện điều khiển điện trở kết hợp điều khiển van khí nén 3/2 bằng phần mềm Festo Fluidsim.18: Điện trở đốt nóng.19: Cảm biến nhiệt.21: Bộ nguồn tổ ong 24V DC.22: Sơ đồ tổng quát của adaptor.23: Rơ le trung gian và thời gian.24: Van khí nén 2/2.27: Mạch điện thực tế chưa hoạt động.28: Mạch điện thực tế đang hoạt động.29: Mạch điện thực tế đang hoạt động.30: Cánh tay robot.31: Khối gia nhiệt 1 vòi phun.32: Lắp module gia nhiệt vào cánh tay robot.1: Tấm “insert” và các vị trí đo nhiệt độ.2: Bảng nhiệt độ đo được của tấm 0.10: Bảng nhiệt độ đo được của tấm 1 mm.18: Bảng nhiệt độ đo được của tấm 1.26: Bảng nhiệt độ đo được của tấm 2 mm.34: Bảng nhiệt độ đo được của 4 tấm.42: Bài báo nước ngoài về biểu đồ gia nhiệt.43: Bài báo nước ngoài về biểu đồ gia nhiệt.44: Bài báo nước ngoài về biểu đồ gia nhiệt. 76 xiii CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Khái quát tình hình chung của ngành khuôn mẫu ép nhựa ở Việt Nam Ở Việt Nam, nhu cầu sử dụng các sản phẩm nhựa đang rất cao, đặc biệt là thị hiếu của người tiêu dùng về sự thay đổi hình dáng và mẫu mã. Khách hàng không chỉ chú ý đến chất lượng mà ngày càng đặc biệt quan đến vấn đề thẩm mỹ, thời trang.

Vì vậy, nhu cầu về khuôn ép nhựa ngày càng cao, trong khi những công ty thiết kế, sản xuất khuôn ép nhưa còn rất ít, đội ngũ kỹ sư thiết kế có tay nghề cao, chuyên môn sâu rộng còn rất thiếu. Về lĩnh vực giáo dục thì cũng mới, có rất ít trường đào tạo chuyên sâu về lĩnh vực này. Hình 1: Các sản phẩm nhựa 1. Giới thiệu công nghệ ép phun Một cách đơn giản nhất, công nghê ép phun là quá trình phun nhựa nóng chảy điền đầy lòng khuôn.

Một khi nhựa được làm nguội và đông cứng lại trong lòng khuôn thì khuôn được mở ra và sản phẩm được đẩy ra khỏi khuôn nhờ hệ thống đẩy. Trong quá trình này không có bất kỳ một phản ứng hóa học nào.1: Cơ cấu máy ép phun 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến chất lượng sản phẩm Các sản phẩm lỗi do nhiệt độ khuôn không thích hợp Hình 1.2: Sản phẩm không điền đầy 2 Hình 1.3: Sản phẩm bị lỗi đường hàn Hình 1.4: Sản phẩm bị rỗ khí 1. Phương pháp gia nhiệt cho khuôn phun ép bằng khí nóng • Phương pháp này hoàn toàn mới, được chế tạo thử đầu tiên ở Việt Nam.

• Ưu điểm của phương pháp này: - Gia nhiệt nhanh chóng, linh hoạt, nhiều vị trí. - Hệ thống đơn giản, và có thể tự động hóa. • Nhược điểm: - Cần áp suất khí nén ổn định. - Môi trường làm việc ồn ào.

- Tốn thời gian cho mỗi chu kì ép vì module cần phải di chuyển. • Nguyên lý hoạt động của phương pháp gia nhiệt này là: - Nung nóng khối gia nhiệt bằng các heater (điện trở đốt nóng), đặt giá trị o khoảng 350 C. - Sau đó phun khí từ máy nén khí với áp suất lớn hơn 3 Pa. - Phun liên tục sau 10 giây, vì khí chạy qua các rãnh của khối gia nhiệt sẽ 0 mang theo nhiệt lượng, nên không khí phun ra đạt trên 150 C (kết quả đo thực tế).

3 - Sau đó bắt lên hệ thống phun trực tiếp vào khuôn các sản phẩm bị lỗi: đường hàn, không điền đầy… Hình 1.5: Vùng gia nhiệt 4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu chung phần mềm Ansys • Những năm gần đây, nhờ sự phát triển của các công cụ toán cùng với sự phát triển của máy tính điện tử, đã thiết lập và dần dần hoàn thiện các phần mềm công nghiệp, sử dụng để giải các bài toán cơ học vật rắn, cơ học thuỷ khí, các bài toán động, bài toán tường minh và không tường minh, các bài toán tuyến tính và phi tuyến, các bài toán về trường điện từ, bài toán tương tác đa trường vật lý. Hình 2: Phần mềm Ansys • ANSYS là một phần mềm mạnh được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, có thể đáp ứng các yêu cầu nói trên của cơ học. Trong tính toán thiết kế cơ khí, phần mềm ANSYS có thể liên kết với các phần mềm thiết kế mô hình hình học 2D và 3D để phân tích trường ứng suất, biến dạng, trường nhiệt độ, tốc độ dòng chảy, có thể xác định được độ mòn, mỏi và phá huỷ của chi tiết.

Nhờ việc xác định đó, có thể tìm các thông số tối ưu cho công nghệ chế tạo. ANSYS còn cung cấp phương pháp giải các bài toán cơ với nhiều dạng mô hình vật liệu khác nhau: đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo, đàn nhớt, dẻo, dẻo nhớt, chảy dẻo, vật liệu siêu đàn hồi, siêu dẻo, các chất lỏng và chất khí … 5 Hình 2.1: Mô phỏng đàn hồi tuyến tính • Trong hệ thống tính toán đa năng của ANSYS, bài toán cơ kỹ thuật được giải quyết bằng phương pháp Phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc.2: Mô phỏng dòng chảy • Cấu trúc cơ bản một bài tính trong ANSYS. Tổng quát cấu trúc cơ bản của một bài tính trong ANSYS, gồm 3 phần chính: tạo mô hình tính (preprocessor) , tính toán (solution) và xử lý kết quả (postprocessor). • Hiểu được các bước phân tích này trong ANSYS sẽ giúp ta dễ dàng hơn trong việc giải bài toán của mình.

• Ansys được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp: - Các sản phẩm và quy trình công nghệ chất lượng cao và luôn được đổi mới 6 - Giảm số lượng mẫu thử cũng như thời gian kiểm tra sản phẩm - Nhanh chóng thu hồi vốn do giảm được thời gian xây dựng sản phẩm mới - Quy trình mềm dẻo và đáp ứng nhanh hơn, cho phép thay đổi thiết kế ngay cả ở các giai đoạn sau của quá trình xây dựng sản phẩm - Chiến lược mô phỏng đón đầu tạo ra một phương pháp hiệu quả để đưa sản phẩm vào thị trường nhanh hơn và với giá thành thấp hơn.3: Mô phỏng ứng suất chi tiết 2. Giới thiệu về phần mềm ANSYS – Module CFX Hình 2.4: Mô phỏng dòng chảy của khí • Phần mềm ANSYS CFX là một chương trình động lực học chất lỏng mục đích chung, hiệu năng cao đã được áp dụng để giải các bài toán dòng chảy đa dạng trong hơn 20 năm qua.5: Tiến trình giải bái toán Ansys - CFX • CFX được tích hợp trong nền tảng ANSYS Workbench, cung cấp các kết nối hai chiều cao cấp cho tất cả các hệ thống CAD chính, các công cụ tạo và hiệu chỉnh hình học mạnh mẽ với ANSYS DesignModeler, các công nghệ chia lưới cao cấp trong ANSYS Meshing, và dễ dàng kéo và thả truyền dữ liệu và các kết quả để chia sẽ giữa các ứng dụng.6: Giao diện cần thực hiện của CFX • Tính năng truyền nhiệt và bức xạ của CFX - Tối ưu truyền nhiệt có thể mang tính quyết định trong nhiều loại thiết bị công nghiệp, giống như cánh tuabin, các khối động cơ và buồng cháy, cũng như trong thiết kế các công trình và các kiến trúc. Trong các ứng dụng đó, dự đoán chính xác truyền nhiệt đối lưu là yếu tố cần thiết. Trong nhiều các trường hợp như vậy, khuếch tán nhiệt trong các khối rắn hoặc truyền nhiệt bằng bức xạ cũng có một vai trò quan trọng.7: Kết quả của mô phỏng CFX 9 2.

Ứng dụng ANSYS – CFX trong mô phỏng quá trình gia nhiệt cho bề mặt khuôn Đầu tiên mở phần mềm ansys Workbench 14.0 Sau khi mở phần mềm sẽ có giao diện như sau: 10 Tiếp đến ta chọn Fluid Flow (CFX) Nhấp và giữ chuột trái kéo vào vùng làm việc 11 Bước đầu tiên trong quá trình mô phỏng chúng ta cần thiết lập DESIGN MODELER (DM). DM là công cụ thiết kế mô hình, hình học có thể vẽ trực tiếp trên DM hay nhập file cad từ các phần mềm đồ họa khác Chọn đơn vị sử dụng, ở bài hướng dẫn này chọn Milimeter Chọn file cad để thiết lập mô hình. File → Import External Geometry File → chọn file .IGS 12 13 Dạng khối Chuyển sang dạng lưới dễ dàng cho việc thiết lập  Bước 1: Tạo khối khí (Fill) 14 Ẩn các bề mặt (Hide Face(s)) ngoài để chọn được ống khí bên trong.