Thực nghiệm đo biến dạng của sản phẩm phun ép nhựa với các thông số phun ép khác nhau

Khóa luận thực nghiệm đo biến dạng sản phẩm phun ép nhựa tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Nguyễn Văn Vân
• Người hướng dẫn: TS. Trần Minh Thế Uyên
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kĩ thuật Cơ khí
• Đề tài: Thực nghiệm đo biến dạng của sản phẩm phun ép nhựa với các thông số phun ép khác nhau
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu đo biến dạng sản phẩm phun ép nhựa

Công nghệ phun ép nhựa giữ vai trò trụ cột trong sản xuất công nghiệp hiện đại. Quá trình này tạo ra nhiều sản phẩm có hình dáng phức tạp với độ chính xác cao. Tuy nhiên, hiện tượng biến dạng sau khi đúc luôn là thách thức kỹ thuật lớn. Sản phẩm dễ bị co ngót không đều, cong vênh và sai lệch biên dạng hình học. Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung giải quyết bài toán này. Nghiên cứu thực hiện khảo sát biến dạng trên ba nhóm vật liệu phổ biến gồm ABS, PP và HDPE. Mỗi loại polyme có đặc tính nhiệt và độ kết tinh riêng biệt. Do đó, mức độ co rút của từng vật liệu diễn ra rất khác nhau trong khuôn. Việc đo lường biến dạng giúp xác định chính xác mức độ sai lệch kích thước. Dữ liệu thực nghiệm phản ánh rõ mối quan hệ giữa thông số máy ép và chất lượng sản phẩm. Kỹ sư có thể dựa vào đó để hiệu chỉnh chu kỳ ép tối ưu. Mục tiêu cuối cùng là giảm thiểu phế phẩm, nâng cao độ bền cơ học và hạ giá thành gia công.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Khoa Đào tạo Chất lượng cao thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM luôn chú trọng thực hành kỹ thuật chuyên sâu. Nhóm nghiên cứu dưới sự dẫn dắt của TS. Trần Minh Thế Uyên đã triển khai đề tài này. Dự án tập trung giải quyết bài toán kiểm soát chất lượng hình học của chi tiết nhựa kỹ thuật. Cơ sở vật chất của trường cung cấp đầy đủ máy ép phun và hệ thống thiết bị đo hiện đại. Các kỹ sư tương lai tiến hành chế tạo mẫu thử nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn. Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết dòng chảy vật liệu và đo kiểm cơ khí. Kết quả nghiên cứu đóng góp thiết thực cho hoạt động đào tạo lẫn sản xuất thực tế.

1.2. Mục tiêu và phạm vi khảo sát thực nghiệm

Mục tiêu trọng tâm là định lượng biến dạng đàn hồi và cong vênh của sản phẩm mẫu. Quá trình khảo sát sử dụng ba loại hạt nhựa nguyên sinh gồm ABS, PP và HDPE. Nhóm thực hiện thiết lập các mức thông số công nghệ khác nhau trên hệ thống máy ép. Biến số khảo sát bao gồm áp suất phun, nhiệt độ gia nhiệt trục vít và thời gian làm nguội. Tiếp theo, sản phẩm được cố định trên hệ thống đồ gá chuyên dụng để thu thập số liệu sai lệch. Việc so sánh trực tiếp mức độ biến dạng giữa ba loại vật liệu mang lại cái nhìn toàn diện. Kết quả phân tích chỉ ra mức độ co ngót đặc trưng của từng cấu trúc polyme cụ thể.

II. Phân tích các yếu tố gây biến dạng sản phẩm phun ép nhựa

Biến dạng hình học trong quy trình ép phun xuất phát từ nhiều nguyên nhân phức tạp. Yếu tố cốt lõi là sự chênh lệch nhiệt độ làm nguội tại các vùng khác nhau trong lòng khuôn. Khi phần nhựa nóng nguội không đồng đều, ứng suất dư nội tại sẽ hình thành bên trong chi tiết. Áp suất bảo áp không đủ cũng khiến nhựa không điền đầy hoàn toàn các khoảng hở. Sự co ngót thể tích diễn ra mạnh mẽ dẫn đến hiện tượng cong võng biên dạng. Đặc tính phân tử của vật liệu cũng đóng vai trò quyết định mức độ sai số. Các loại nhựa bán kết tinh như PP và HDPE có độ co ngót lớn hơn nhiều so với nhựa vô định hình ABS. Ngoài ra, việc thiết kế cổng rót và độ dày thành sản phẩm không hợp lý sẽ làm tăng nguy cơ biến dạng. Nếu thời gian làm nguội quá ngắn, chi tiết bị đẩy ra khi chưa ổn định nhiệt độ. Tác động cơ học của chốt đẩy lúc này dễ làm méo mó cấu trúc sản phẩm. Hiểu rõ các nguyên nhân trên giúp kiểm soát dung sai kích thước hiệu quả.

2.1. Ảnh hưởng của thông số công nghệ ép phun

Các thông số ép phun can thiệp trực tiếp vào mức độ co ngót của sản phẩm. Nhiệt độ nóng chảy quyết định độ nhớt và khả năng điền đầy lòng khuôn của nhựa lỏng. Nếu nhiệt độ quá cao, chu kỳ làm nguội kéo dài làm gia tăng biến dạng. Áp suất phun và áp suất bảo áp giữ vai trò bù đắp thể tích nhựa bị co ngót. Thời gian giữ áp không đủ sẽ để lại độ rỗng xốp bên trong lòng sản phẩm. Ngoài ra, nhiệt độ khuôn ảnh hưởng lớn đến tốc độ kết tinh phân tử. Sự mất cân bằng nhiệt giữa khuôn đực và khuôn cái tạo ra lực uốn nội tại. Điều này trực tiếp gây ra hiện tượng cong vênh sau khi tháo khuôn.

2.2. Đặc tính vật liệu nhựa ABS PP và HDPE

Ba loại hạt nhựa ABS, PP và HDPE có cấu trúc phân tử hoàn toàn khác biệt. Nhựa ABS là polyme vô định hình với độ cứng cao và tính ổn định kích thước tốt. Nhựa này chịu va đập tốt và có hệ số co ngót thể tích tương đối thấp. Ngược lại, polypropylene (PP) là vật liệu bán kết tinh nhẹ và có độ dẻo dai cao. Quá trình kết tinh khi nguội khiến PP co ngót mạnh hơn nhiều so với ABS. Trong khi đó, hạt nhựa HDPE có mật độ phân tử cao và chuỗi mạch dài thẳng. HDPE chịu hóa chất vượt trội nhưng sở hữu độ co ngót lớn nhất trong ba loại. Sự khác biệt về liên kết hóa học chi phối trực tiếp phản ứng cơ nhiệt của mỗi chi tiết.

III. Giải pháp đo kiểm thực nghiệm biến dạng sản phẩm phun ép nhựa

Đo kiểm chính xác độ biến dạng đòi hỏi phương pháp đo cơ khí chuẩn mực và nghiêm ngặt. Nghiên cứu tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM áp dụng hệ thống đo kết hợp giữa đồ gá chuyên dụng và đồng hồ so cơ khí. Đồ gá định vị được thiết kế chuẩn xác để giữ chặt mẫu nhựa theo các điểm tựa quy chuẩn. Thiết kế này loại trừ hoàn toàn các chuyển vị tự do ngoài ý muốn trong quá trình đo. Đồng hồ so đóng vai trò cảm biến đo dịch chuyển tịnh tiến với độ phân giải lên đến 0.001 mm. Thiết bị cho phép ghi nhận độ sai lệch hình học, độ phẳng và độ võng tại từng vị trí xác định. Các mẫu nhựa sau khi ép được để ổn định trong môi trường tiêu chuẩn 24 giờ trước khi đo. Quy trình này triệt tiêu ứng suất dư tạm thời và cân bằng nhiệt độ mẫu. Thao tác đo lường được thực hiện lặp lại nhiều lần để loại bỏ sai số ngẫu nhiên. Số liệu thu thập được số hóa và xử lý bằng các thuật toán thống kê đáng tin cậy.

3.1. Thiết kế đồ gá và ứng dụng đồng hồ so

Đồ gá thực nghiệm đóng vai trò cốt lõi trong việc đảm bảo tính lặp lại của phép đo. Bộ gá được gia công chính xác với các chốt chặn chuẩn hóa biên dạng chi tiết. Cơ cấu kẹp mềm giữ sản phẩm không bị biến dạng thứ cấp dưới lực kẹp cơ học. Đồng hồ so được cố định chắc chắn trên giá đỡ từ tính vững chắc. Thiết bị đo sở hữu trục đo di chuyển tịnh tiến siêu nhạy và mặt số chia vạch micromet. Nhờ đó, người vận hành dễ dàng nhận biết các sai lệch biên dạng dù là nhỏ nhất. Mối phối hợp giữa đồ gá và đồng hồ so tạo thành tổ hợp đo lường linh hoạt, tiết kiệm chi phí nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy khoa học cao.

3.2. Quy trình kiểm soát sai số trong quá trình đo

Kiểm soát sai số là điều kiện tiên quyết để đảm bảo tính xác thực của nghiên cứu học thuật. Nhóm nghiên cứu tiến hành phân loại và triệt tiêu ba nguồn sai số chính gồm thiết bị, thao tác và môi trường. Đồng hồ so luôn được hiệu chuẩn điểm chuẩn zero trước mỗi lượt đo mẫu. Nhiệt độ phòng thí nghiệm duy trì ổn định ở mức 25 độ C để ngăn ngừa giãn nở nhiệt. Quá trình vận chuyển và gá đặt mẫu được thực hiện cẩn trọng nhằm tránh va đập làm méo mó cấu trúc. Ngoài ra, mỗi vị trí trên sản phẩm đều được đo tối thiểu năm lần để lấy giá trị trung bình số học. Dữ liệu sai lệch cực trị bị loại bỏ nhằm gia tăng độ chính xác của tập kết quả.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế đo biến dạng sản phẩm phun ép nhựa

Kết quả thực nghiệm tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mang lại nhiều đóng góp thực tiễn sâu sắc. Nghiên cứu đã chứng minh rõ tác động của từng thông số ép đối với sự biến dạng của ba loại nhựa ABS, PP và HDPE. Nhựa ABS cho thấy độ ổn định hình học cao nhất cùng mức co ngót đồng đều. Ngược lại, hạt nhựa PP và HDPE đòi hỏi áp suất bảo áp lớn hơn cùng thời gian làm nguội kéo dài để hạn chế cong vênh. Dữ liệu này giúp doanh nghiệp sản xuất khuôn mẫu và gia công nhựa rút ngắn thời gian thử khuôn. Kỹ thuật viên có thể chủ động bù trừ dung sai ngay từ giai đoạn thiết kế lòng khuôn. Đồng thời, phương pháp đo bằng đồ gá phối hợp đồng hồ so khẳng định tính khả thi cao. Giải pháp này giúp các xưởng vừa và nhỏ kiểm tra chất lượng linh kiện chính xác mà không cần đầu tư máy quét 3D đắt đỏ. Đây là bước đệm quan trọng để hoàn thiện quy trình kiểm chuẩn chi tiết cơ khí.

4.1. Đánh giá so sánh biến dạng giữa các vật liệu

Dữ liệu đo đạc khẳng định bản chất cấu trúc polyme chi phối trực tiếp đến độ biến dạng. Nhựa ABS duy trì tính đẳng hướng cao trong quá trình nguội, tạo nên mức cong vênh thấp nhất. Sản phẩm từ nhựa PP có mức độ co ngót lớn hơn do kết cấu bán tinh thể hình thành nhanh chóng. Trong khi đó, nhựa HDPE ghi nhận mức biến dạng cao nhất và biên độ dao động kích thước rộng. Độ dày thành chi tiết càng lớn thì mức độ co rút không đều của HDPE càng biểu hiện rõ. Sự phân hóa này cung cấp tài liệu kỹ thuật quý giá cho việc lựa chọn vật liệu trong thiết kế cơ khí chính xác.

4.2. Khả năng ứng dụng vào sản xuất công nghiệp

Mô hình thực nghiệm này có khả năng chuyển giao trực tiếp vào các nhà máy sản xuất linh kiện. Phương pháp sử dụng đồ gá và đồng hồ so giúp thiết lập quy trình kiểm soát chất lượng nhanh tại chuyền ép. Kỹ sư có thể phát hiện ngay các sai lệch kích thước khi thay đổi lô hạt nhựa mới. Hơn nữa, kết quả nghiên cứu hỗ trợ hiệu chỉnh bộ thông số ép chuẩn trên máy mà không phải thử sai tốn kém. Doanh nghiệp sản xuất khuôn mẫu cũng dễ dàng áp dụng dữ liệu để tính toán hệ số co rút bù trừ chính xác. Điều này nâng cao năng lực cạnh tranh và đảm bảo chất lượng thành phẩm ổn định.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quy trình gia công polymer hiện đại, công nghệ ép phun đóng vai trò cốt lõi trong việc sản xuất hàng loạt các chi tiết có độ chính xác cao và biên dạng hình học phức tạp. Tuy nhiên, việc thiết lập các thông số công nghệ phun ép như thời gian phun, áp suất phun, thời gian định áp, áp suất định áp, thời gian làm nguội, nhiệt độ nóng chảy và lưu lượng phun ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cơ lý tính, độ mịn, độ đồng đều cũng như độ biến dạng của sản phẩm sau khi ra khuôn. Khi các thông số công nghệ không được điều chỉnh thích hợp, sản phẩm dễ phát sinh các khuyết tật như biến dạng, cong vênh, rạn nứt dưới áp suất quá lớn hoặc bị thiếu liệu, rỗ xốp và không đồng đều khi áp suất hay lưu lượng quá thấp. Điều này dẫn đến sự lãng phí nghiêm trọng về nguyên vật liệu, tiêu hao năng lượng và kéo dài chu kỳ sản xuất.

Từ thực tiễn đó, đề tài khóa luận "Thực nghiệm đo biến dạng của sản phẩm phun ép nhựa với các thông số phun ép khác nhau" được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Khoa Đào tạo Chất lượng cao thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Minh Thế Uyên. Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá mức độ biến dạng đàn hồi của sản phẩm có kết cấu cơ cấu mềm (Bridge-type compliant mechanism) khi thay đổi các thông số ép trên máy ép nhựa thực tế.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định theo 6 nội dung cụ thể:

1. Nghiên cứu tổng quan về công nghệ ép phun nhựa và các thông số vận hành của quá trình phun ép.
2. Thiết lập dải thông số phun ép thực nghiệm cho sản phẩm cơ cấu mềm Bridge-type trên 3 loại vật liệu nhựa nguyên sinh.
3. Thiết kế, cải tiến và gia công chế tạo mô hình đồ gá đo biến dạng đàn hồi cơ khí.
4. Thực nghiệm ép các mẫu thử nghiệm trên hệ thống máy ép phun nhựa công nghiệp.
5. Tiến hành đo đạc độ biến dạng đàn hồi (độ chuyển vị) của các sản phẩm mẫu bằng đồng hồ so cơ khí.
6. Tổng hợp, so sánh và phân tích quy luật ảnh hưởng của từng thông số công nghệ đến biến dạng của từng loại vật liệu.

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là sản phẩm chi tiết nhựa dạng cơ cấu mềm Bridge-type được ép từ 3 loại hạt nhựa nhiệt dẻo nguyên sinh: Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), Polypropylene (PP) và High Density Polyethylene (HDPE).

Phạm vi nghiên cứu được xác định:

• Không gian thực hiện: Xưởng thực hành và phòng thí nghiệm chuyên ngành thuộc Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
• Thời gian nghiên cứu: Đồ án được hoàn thành và bảo vệ vào tháng 7 năm 2023.
• Giới hạn nghiên cứu: Do điều kiện máy móc, vật chất và thời gian của một đồ án tốt nghiệp đại học, nghiên cứu giới hạn ở phương pháp đo thực nghiệm cơ học tĩnh, khảo sát ảnh hưởng đơn biến của từng thông số công nghệ ép độc lập trên 3 loại nhựa, chưa thực hiện quy hoạch thực nghiệm đa biến đồng thời.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thiết lập nền tảng lý thuyết dựa trên các kiến thức chuyên ngành về vật liệu polymer, công nghệ gia công khuôn mẫu ép phun và nguyên lý cơ cấu mềm:

• Vật liệu nhựa nguyên sinh: Nghiên cứu phân tích bản chất của nhựa nguyên sinh (nhựa tạo từ quá trình chưng cất phân đoạn dầu mỏ, chưa qua tái chế, không pha tạp chất hay phụ gia, có độ tinh khiết cao). Ba loại vật liệu được khảo sát gồm:
  • ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene): Nhựa kỹ thuật cấu trúc terpolymer kết hợp giữa độ bền cơ học, độ cứng, khả năng chịu va đập, kháng hóa chất và chịu nhiệt tương đối cao.
  • PP (Polypropylene): Nhựa kỹ thuật thuộc nhóm polyolefin, có trọng lượng nhẹ, độ bền uốn dẻo cao, chịu nhiệt và chống thấm tốt.
  • HDPE (High-Density Polyethylene): Nhựa có cấu trúc phân tử chuỗi dài không phân nhánh, mật độ cao, đặc tính chống va đập, kháng hóa chất và độ dẻo đàn hồi tốt.
• Quy trình công nghệ ép phun: Quá trình tạo hình sản phẩm nhựa trải qua 4 giai đoạn nối tiếp:
  • Bước 1: Nung chảy nguyên liệu thô trong xilanh gia nhiệt đạt trạng thái dẻo quánh.
  • Bước 2: Trục vít tịnh tiến tạo áp lực lớn đẩy nhựa nóng chảy điền đầy lòng khuôn đóng.
  • Bước 3: Hệ thống làm mát khuôn giải nhiệt để định hình sản phẩm từ thể lỏng sang thể rắn.
  • Bước 4: Mở khuôn và hệ thống lói/kim đẩy đưa sản phẩm ra ngoài.
• Công nghệ khuôn mẫu: Phân loại 8 nhóm khuôn phổ biến trong công nghiệp gồm khuôn ép phun, khuôn nén, khuôn thổi, khuôn gia cường, khuôn dịch chuyển, khuôn đúc, khuôn đùn, khuôn quay; trong đó khuôn ép phun được ứng dụng trực tiếp trong đề tài.
• Cơ cấu mềm Bridge-type: Cơ cấu chuyển động dựa trên sự biến dạng đàn hồi của các bản lề mềm (flexure hinges) để truyền hoặc biến đổi chuyển động, thay thế cho các khớp quay hoặc trượt truyền thống nhằm loại bỏ ma sát, độ rơ và nhu cầu bôi trơn.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện bao gồm:

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập, phân tích tài liệu chuyên khảo về thông số ép phun và tính toán cơ cấu mềm Bridge-type.
• Phương pháp mô hình hóa CAD: Sử dụng phần mềm Creo Parametric để thiết kế hình học 3D của sản phẩm, bộ khuôn ép và các chi tiết cơ khí của đồ gá đo lường.
• Phương pháp thực nghiệm: Ép sản phẩm trên máy ép phun thực tế; sử dụng vật liệu từ 0.8 kg đến 1.0 kg cho mỗi mẻ ép nhằm xả sạch nhựa cũ và ổn định dòng chảy; gia công đồ gá và thiết lập hệ thống đo chuyển vị bằng đồng hồ so có độ phân giải 0.001 mm.
• Phương pháp kiểm tra, hiệu chuẩn: Áp dụng các quy tắc kiểm tra bề mặt, kiểm tra lực đo, căn chỉnh độ song song và đưa đồng hồ so về điểm chuẩn trước khi ghi nhận số liệu.

Nguồn dữ liệu trong nghiên cứu là số liệu thực nghiệm đo trực tiếp độ chuyển vị của các mẫu cơ cấu mềm được tạo ra từ máy ép phun nhựa tại xưởng thực hành.

---

Thiết kế và triển khai mô hình thực nghiệm

Khóa luận triển khai chi tiết hệ thống phần cứng phục vụ quá trình chế tạo mẫu và đo lường biến dạng cơ học:

• Thiết kế sản phẩm và bộ khuôn:
  • Sản phẩm cơ cấu mềm Bridge-type được mô hình hóa trên phần mềm Creo Parametric với các kích thước hình học tiêu chuẩn.
  • Bộ khuôn ép phun được thiết kế hoàn chỉnh gồm hệ thống lòng khuôn, lõi khuôn, kênh dẫn nhựa, cổng phun, hệ thống kênh nước làm mát và tấm đẩy. Bản vẽ 3D phân rã và lắp ráp được chuyển đổi sang dữ liệu gia công cơ khí chính xác để chế tạo bộ khuôn hoàn thiện đáp ứng yêu cầu độ bóng lòng khuôn và độ cứng vững dưới áp lực phun lớn.
• Thiết kế và chế tạo đồ gá đo biến dạng:
  • Tác giả tiếp thu mô hình đế giữ in 3D từ đồ án của nhóm nghiên cứu trước nhưng đã tiến hành cải tiến toàn diện kết cấu chịu lực: thay thế phần giữ và phần đẩy từ vật liệu in 3D sang kim loại nhôm nguyên khối gia công CNC nhằm triệt tiêu độ biến dạng uốn của đồ gá khi chịu tải.
  • Hệ thống khung giá đỡ sử dụng nhôm định hình kết hợp tấm đế nhôm dày dặn, đảm bảo độ phẳng và độ cứng vững cho toàn bộ kết cấu.
  • Cơ cấu tạo tải: Ứng dụng cơ cấu trục vít me - đai ốc điều khiển bằng tay quay cơ học để tạo chuyển vị cưỡng bức tác động đều và chính xác lên đầu vào của cơ cấu mềm Bridge-type.
• Tích hợp thiết bị đo kiểm:
  • Đầu đo của đồng hồ so (độ chính xác 0.001 mm) được gá đặt tiếp xúc trực tiếp tại vị trí biến dạng của cơ cấu mềm. Thiết bị được kẹp chặt vuông góc với phương dịch chuyển, có cơ cấu hiệu chuẩn điểm không để ghi nhận chính xác độ biến dạng đàn hồi dưới tác dụng của lực nén.

---

Nội dung chính theo từng chương

Bố cục của khóa luận gồm 5 chương chính bám sát tiến trình nghiên cứu kỹ thuật:

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc kiểm soát chất lượng sản phẩm ép phun thông qua tối ưu hóa thông số công nghệ. Tác giả nêu rõ ảnh hưởng tiêu cực của việc cài đặt sai lệch thông số kỹ thuật đến năng suất và tỷ lệ phế phẩm. Chương này công bố mục tiêu nghiên cứu, ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn, phân loại các phương pháp nghiên cứu (phương pháp luận, thí nghiệm, thực nghiệm, mô hình hóa, kiểm nghiệm) và vạch rõ phạm vi giới hạn của đề tài xoay quanh 3 dòng vật liệu nhựa nhiệt dẻo.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này tổng kết có hệ thống cơ sở lý thuyết về vật liệu chất dẻo, phân tích chuyên sâu nguồn gốc và tính chất kỹ thuật của 3 loại hạt nhựa nguyên sinh ABS, PP và HDPE. Tiếp đó, tác giả trình bày nguyên lý hoạt động 4 bước của máy ép phun, phân tích chức năng của 8 loại khuôn công nghiệp phổ biến và đi sâu vào nguyên lý hoạt động của cơ cấu mềm Bridge-type – một kết cấu truyền chuyển động thông qua biến dạng đàn hồi của các bản lề mỏng.

Chương 3: Phương pháp thực nghiệm

Chương 3 mô tả toàn bộ quá trình thiết kế hình học sản phẩm và bộ khuôn ép phun trên phần mềm Creo Parametric. Tác giả nêu quy cách chuẩn bị vật liệu (chuẩn bị từ 0.8 kg đến 1.0 kg hạt nhựa cho mỗi trường hợp thí nghiệm để xả sạch nhựa dư và ổn định dòng chảy nhiệt). Trọng tâm của chương là việc xây dựng ma trận thực nghiệm với 7 thông số ép được thay đổi độc lập và thiết kế, gia công, lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống đồ gá đo biến dạng khung nhôm định hình kết hợp cơ cấu tay quay - trục ren.

Chương 4: Kết quả đo biến dạng

Chương 4 tổng thuật lịch sử kỹ thuật đo lường cơ khí, phân tích các chỉ tiêu kỹ thuật cốt lõi trong đo kiểm (độ chính xác, độ lặp lại, độ phân giải, độ đồng nhất, hiệu chuẩn, sai số đo và độ tin cậy) cùng 7 nguyên nhân gây sai số điển hình. Tác giả trình bày cấu tạo, nguyên lý và quy trình hiệu chuẩn đồng hồ so có vạch chia 0.001 mm. Phần thực nghiệm phân tích kết quả chuyển vị của sản phẩm ứng với từng thông số ép trên cả 3 loại nhựa, được minh họa qua 21 bảng số liệu và 28 biểu đồ đo.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tóm lược các kết quả chế tạo mẫu, hoàn thiện đồ gá đo và những phát hiện về quy luật biến dạng đàn hồi của sản phẩm cơ cấu mềm; đồng thời đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp nối về quy hoạch thực nghiệm và tự động hóa hệ thống đo.

---

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã xây dựng ma trận khảo sát thực nghiệm chi tiết cho 7 thông số công nghệ ép phun đối với nhựa ABS và nhóm nhựa PP, HDPE. Các dải thông số công nghệ cơ sở và các bước thay đổi được tác giả thiết lập như sau:

Thông số công nghệ	Giá trị trung bình (ABS)	Khoảng thay đổi khảo sát (ABS)	Giá trị trung bình (PP, HDPE)	Khoảng thay đổi khảo sát (PP, HDPE)
Thời gian phun - Filling time (s)	2.2	2.0 – 2.4	1.9	1.7 – 2.1
Áp suất phun - Filling press (bar)	41	39 – 43	27	25 – 29
Thời gian điền đầy - Packing time (s)	0.8	0.0 – 1.6	0.8	0.0 – 1.6
Áp suất điền đầy - Packing press (bar)	40	38 – 42	25	23 – 27
Thời gian làm nguội - Cooling time (s)	24	20 – 28	54	50 – 58
Nhiệt độ nóng chảy - Melt temperature (°C)	210	206 – 214	214	210 – 218
Lưu lượng phun - Filling speed (% áp suất phun)	79	75 – 83	54	50 – 58

Các kết quả thực nghiệm và đóng góp cụ thể của công trình bao gồm:

• Chế tạo thành công bộ khuôn ép phun thực tế cho chi tiết cơ cấu mềm Bridge-type đạt yêu cầu kỹ thuật về độ bóng và kích thước hình học.
• Sản xuất hàng loạt các mẫu thử nghiệm ổn định trên máy ép phun từ 3 loại hạt nhựa nguyên sinh ABS, PP và HDPE theo các chế độ công nghệ được thiết lập chính xác.
• Chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống đồ gá đo biến dạng đàn hồi chuyên dụng, kết hợp khung nhôm định hình, cơ cấu ép trục vít tay quay và đồng hồ so có độ phân giải 0.001 mm.
• Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm gồm 21 bảng kết quả đo chuyển vị và 28 biểu đồ phân tích tương ứng (từ Hình 4.8 đến Hình 4.28 trong báo cáo), phản ánh rõ nét mức độ biến dạng của cơ cấu mềm khi thay đổi từng thông số ép phun riêng biệt.
• Về mặt cải tiến kỹ thuật so với nghiên cứu trước: Tác giả đã loại bỏ các chi tiết chịu lực bằng nhựa in 3D của mô hình cũ, thay thế hoàn toàn chi tiết kẹp giữ và đầu đẩy bằng nhôm gia công, giúp triệt tiêu biến dạng đàn hồi ký sinh của đồ gá và nâng cao độ tin cậy của phép đo chuyển vị.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ rõ các hạn chế xuất phát từ điều kiện thực tế của đề tài:

• Do điều kiện máy móc, thiết bị tại xưởng và thời gian thực hiện đồ án có hạn, nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc khảo sát thực nghiệm đo biến dạng cơ học tĩnh đơn thuần, chưa thể kiểm tra độ mỏi đàn hồi hay độ bền lâu của cơ cấu mềm qua thời gian.
• Việc thực nghiệm mới chỉ tiến hành thay đổi đơn biến từng thông số độc lập; chưa áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm hiện đại (như Taguchi, phương pháp bề mặt đáp ứng RSM) để phân tích tương tác phức hợp giữa các thông số công nghệ với nhau.
• Cơ cấu tác động lực trên đồ gá vẫn vận hành thủ công bằng tay quay bu lông - đai ốc, chưa tích hợp cảm biến đo lực (loadcell) điện tử để xác định chính xác giá trị lực ép tương ứng với từng mức chuyển vị.

Các hướng mở được đề xuất:

• Mở rộng quy hoạch thực nghiệm đa biến kết hợp phần mềm mô phỏng dòng chảy ép phun chuyên dụng (như Moldflow) để đối sánh số liệu mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm.
• Tích hợp cảm biến lực kỹ thuật số và cơ cấu chấp hành tự động vào đồ gá để thiết lập biểu đồ quan hệ lực - chuyển vị tự động trong thời gian thực.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận mang lại giá trị tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên và học viên chuyên ngành: Ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Cơ điện tử và Công nghệ Vật liệu có thể sử dụng đề tài làm tài liệu tham khảo cho các môn học Công nghệ Khuôn mẫu, Kỹ thuật Đo lường và Gia công Polymer.
• Kỹ sư vận hành ép nhựa: Tham khảo dải thông số công nghệ thực tế (áp suất, thời gian, nhiệt độ) khi thiết lập máy ép cho các dòng vật liệu ABS, PP, HDPE đối với các chi tiết có thành mỏng hoặc yêu cầu tính đàn hồi cao.
• Nhóm nghiên cứu về cơ cấu mềm: Cung cấp giải pháp thực tế về kết cấu đồ gá kiểm tra cơ tính của cơ cấu mềm Bridge-type, kỹ thuật gá đặt đồng hồ so và các biện pháp cô lập nguồn sai số trong thực nghiệm cơ khí.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm tác giả phải chuẩn bị từ 0.8 kg đến 1.0 kg hạt nhựa cho mỗi trường hợp thực nghiệm?
Khối lượng hạt nhựa này được tính toán để thực hiện việc xả sạch hoàn toàn lượng nhựa cũ còn lưu lại trong xilanh gia nhiệt từ lần ép trước, đồng thời tiến hành ép thử vài chu kỳ cho đến khi dòng chảy nhựa và nhiệt độ hóa dẻo đạt trạng thái ổn định trước khi tiến hành ép mẫu lấy số liệu.

2. Điểm khác biệt căn bản giữa thông số công nghệ ép của nhựa ABS so với nhựa PP và HDPE trong nghiên cứu là gì?
Nhựa ABS có độ nhớt và nhiệt độ chuyển pha khác biệt nên yêu cầu nhiệt độ nóng chảy thấp hơn một chút (210 °C so với 214 °C của PP/HDPE), nhưng đòi hỏi áp suất phun (41 bar so với 27 bar), áp suất điền đầy (40 bar so với 25 bar) và lưu lượng phun (79% so với 54%) cao hơn đáng kể. Ngược lại, thời gian làm nguội của ABS ngắn hơn nhiều (24 giây so với 54 giây của PP và HDPE) do tính chất kết tinh và độ co ngót nhiệt của vật liệu.

3. Đồ gá đo biến dạng đàn hồi đã được cải tiến những bộ phận nào so với thiết kế của nhóm nghiên cứu trước?
Nhóm tác giả đã tái sử dụng phần đế gá in 3D nhưng thay thế toàn bộ khung giá đỡ bằng thanh nhôm định hình, bổ sung tấm đế bằng nhôm, đồng thời chế tạo lại bộ phận giữ và bộ phận đẩy từ vật liệu nhôm gia công thay vì vật liệu nhựa in 3D cũ nhằm tăng độ cứng vững và đảm bảo truyền lực chuẩn xác.

4. Dụng cụ đo chính trong đồ án là gì và có độ phân giải bao nhiêu?
Thiết bị đo biến dạng chính được sử dụng là đồng hồ so cơ khí với độ phân giải (độ chính xác vạch chia) đạt 0.001 mm, được lắp đặt trên giá đỡ vuông góc với vị trí biến dạng của cơ cấu mềm Bridge-type.

5. Những nguyên nhân sai số đo nào được tác giả nhận diện trong quá trình thực nghiệm?
Khóa luận đã hệ thống hóa 7 nguồn sai số đo chính: thiết bị đo lường không chính xác hoặc bị hao mòn; sai số do quá trình sản xuất mẫu không đồng nhất; điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng); kỹ năng và kinh nghiệm của người đo; sự thay đổi không kiểm soát trong quy trình gia công; rung động va đập trong quá trình vận chuyển mẫu; và sai số trong quá trình ghi chép, xử lý dữ liệu tính toán.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của nhóm tác giả đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu thực nghiệm đo biến dạng cơ cấu mềm Bridge-type ép từ 3 loại nhựa kỹ thuật ABS, PP và HDPE với 7 thông số công nghệ thay đổi độc lập. Đề tài đã hoàn thành việc thiết kế, gia công bộ khuôn mẫu, nâng cấp hệ thống đồ gá đo biến dạng khung nhôm cứng vững và xây dựng quy trình đo kiểm chính xác bằng đồng hồ so có độ phân giải 0.001 mm. Toàn bộ 21 bảng kết quả và 28 đồ thị thực nghiệm được trình bày là cơ sở khoa học thực chứng phục vụ hiệu quả cho công tác giảng dạy, nghiên cứu khuôn mẫu và tối ưu hóa quy trình gia công ép phun nhựa công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay máy móc ngày càng phát triển việc đơn giản hóa các phương pháp tạo ra sản phẩm mà đạt được chất lượng tốt cũng như năng suất là một vấn đề thách thức. Tương tự đó, ngành công nghiệp phun ép đã thay đổi các thông số phun ép trong quá trình sản xuất có ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu suất sản xuất. Các thông số này có thể ảnh hưởng đến độ mịn, độ đồng đều và độ chính xác của sản phẩm được sản xuất, cũng như đến tốc độ và hiệu suất sản xuất. Khi các thông số phun ép không được điều chỉnh tốt, các sản phẩm có thể bị lỗi hoặc bị hư hại, dẫn đến lãng phí nguyên liệu và thời gian sản xuất.

Nếu áp suất phun hoặc lưu lượng phun quá cao, sản phẩm có thể bị biến dạng hoặc bị vỡ, trong khi nếu áp suất phun hoặc lưu lượng phun quá thấp, sản phẩm có thể bị lỏng hoặc không đồng đều. Bên cạnh đó,việc thay đổi các thông số phun ép cũng có thể giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất và tăng cường hiệu suất sản xuất. Nếu các thông số phun ép được điều chỉnh tốt, sản phẩm có thể được sản xuất nhanh hơn và hiệu quả hơn, giảm thiểu thời gian sản xuất và tiết kiệm chi phí. Thấy được lợi ích của việc thay đổi thông số phun ép và muốn tối ưu các thông số để tạo ra sản phẩm đạt hiệu suất cao.

Chính vì thế, nhóm chúng em chọn đề tài: “Thực nghiệm đo biến dạng của sản phẩm phun ép nhựa với các thông số phun ép khác nhau” 1.2 Tính cấp thiết của đề tài Trong xã hội ngày càng hiện đại, các sản phẩm công nghiệp được sử dụng trên thị trường ngày càng nhiều, nhu cầu tăng cao đòi hỏi các ngành công nghiệp phải nâng cao chất lượng lẫn số lượng cho phù hợp. Tính chất của vật liệu cũng ảnh hưởng nhiều đến chất lượng cũng như số lượng sản phẩm. Với các thông số phun ép khác nhau như áp suất, lưu lượng, thời gian, nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến độ biến dạng của sản phẩm, chính vì vậy cần phải đo lường chính xác và đẩy đủ để đảm bảo đạt được kết quả chính xác nhất. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp đo lường, phân tích dữ liệu tính chất các vật liệu rất quan trọng để cải thiện chất lượng sản phẩm và nâng cao năng suất trong ngành công nghiệp, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường.

1 Vì vậy, thực hiện đề tài thực nghiệm đo biến dạng phun ép với các thông số ép khác nhau có thể đóng góp cho phát triển ngành công nghiệp và mang lại lợi ích cho xã hội.3 Mục tiêu đề tài - Tổng quan về thông số phun ép - Thiết kế đồ gá dung đo biến dạng của sản phẩm - Chế tạo, lắp ráp và thực nghiệm 1.1 Ý nghĩa khoa học Tạo điều kiện, tiền đề cho người nghiên cứu áp dụng các kiến thức, kỹ năng đã học và thực tập vào đời sống thực tiễn. Đem lại một hướng đi hoàn toàn mới mở đối với nước ta nói chung và một vài doanh nghiệp nói riêng, góp phần và thúc đẩy vào quá trình phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.2 Ý nghĩa thực tiễn Nhờ vào thay đổi thông số ép đã mang lại nhiều lợi ích trong quá trình sản xuất, bao gồm tăng chất lượng sản phẩm, tăng năng suất, tiết kiệm chi phí, cải thiện hiệu quả và tăng tính linh hoạt.5 Phương pháp nghiên cứu 1.