chương 1: Trình bày về kết cấu sản phẩm nhựa Sau khi học xong chương này, người học có khả năng: 1) Trình bày được các kết cấu và yêu cầu của sản phẩm nhựa. 2) Trình bày được cách thiết kế sản phẩm nhựa để giảm thiểu các khuyết tật khi ép phun.1 Độ dày sản phẩm đồng nhất và đối xứng Nguyên tắc thiết kế các sản phẩm nhựa: đảm bảo độ dày của sản phẩm là đồng nhất và đối xứng. Độ dày thành sản phẩm nhựa không đồng đều có thể gây ra các vấn đề về cong vênh và khó kiểm soát kích thước các sản phẩm ép phun. Thành sản phẩm dày gây ra không chỉ co rút bên trong hoặc lỗ rỗng hoặc vết lõm bề mặt, mà còn co ngót lớn dẫn đến khó kiểm soát kích thước và cong vênh.
Thiết kế thành vuông góc (Hình 1.1) gây ra các vấn đề như co rút không đều, cong vênh (lõm) của cả hai thành và các lỗ rỗng bên trong góc của thành dày hơn. Hai thiết kế bên dưới được khuyến khích dùng để tránh những vấn đề này. Thiết kế kém Vấn đề phun ép Góc nhọn Sự vênh Lỗ trống Thiết kế tốt Thiết kế tốt r r R Mặt chuẩn Hình 1.1: Sản phẩm có góc vuông 9 Hình 1.2 Cho thấy một thiết kế mặt cắt ngang sản phẩm có thể gây ra các vấn đề về phun ép và thiết kế được đề nghị sử dụng là dùng bề dày mỏng hơn có các gân tăng cứng. Thiết kế kém Thiết kế tốt Hình 1.2: Thiết kế thành mỏng đồng nhất và ngược lại Hình 1.6 là các ví dụ về một phần độ dày thành không đồng nhất nên được thay thế bằng thiết kế có độ dày sản phẩm đồng nhất.
Thiết kế kém Thiết kế tốt Hình 1.3: Thành sản phẩm được cải tiến Thiết kế kém Thiết kế tốt Hình 1.4: Bề dày đồng nhất được cải thiện Thiết kế kém Thiết kế tốt Hình 1.5: Bề dày đồng nhất được cải thiện Thiết kế kém Thiết kế tốt Hình 1.6: Bề dày đồng nhất được cải thiện 10 Các khuyết tật nghiêm trọng nhất gây ra bởi hình dạng sản phẩm trong quá trình ép phun là cong vênh, khoảng trống bên trong, lõm bề mặt, sai lệch kích thước. Các vấn đề này được minh họa trong Hình 1.7, trong đó, ví dụ là thiết kế kém của khay hình chữ nhật có độ dày thành đồng nhất. Các góc của bề mặt trên khay bị cong lên trên, trong khi các thành bên bị cong vào trong. Thiết kế được đề xuất yêu cầu một phần lồi hình cầu nhỏ trên bề mặt trên cùng và các thành bên để bù đắp cho sự cong vênh, với bán kính ở tất cả các góc và thành thuôn nhọn đồng đều bắt đầu từ giữa.
Thiết kế kém Lỗi sản phẩm khi phun ép Thiết kế tốt Hình 1.7: Vấn đề gặp phải khi thiết kế khay hình chữ nhật Hình 1.8, ví dụ là một thiết kế của hộp vuông. Các thành bên thẳng đứng của hộp phun ép bị cong vênh vào trong. Thiết kế được đề nghị yêu cầu lồi ra nhỏ trên các thành bên để bù đắp cho sự cong vênh và bán kính ở tất cả các góc. 11 Thiết kế kém Lỗi sản phẩm khi phun ép Thiết kế tốt Hình 1.8: Vấn đề gặp phải khi thiết kế hộp vuông Hình 1.11 là ví dụ khác về việc thiết kế chi tiết dạng ống và dạng chữ “U”.
Các thành đứng vuông góc nên dễ bị cong vênh. Các thiết kế thích hợp có các thành và bán kính ở tất cả các góc. Thiết kế kém Lỗi sản phẩm khi phun ép Thiết kế tốt Hình 1.9: Vấn đề gặp phải khi thiết kế sản phẩm dạng ống Thiết kế kém Lỗi sản phẩm khi phun ép Thiết kế tốt Hình 1.10: Vấn đề gặp phải khi thiết kế dầm chữ “U” 12 Lỗi sản phẩm Thiết kế kém khi phun ép Thiết kế tốt Thiết kế tốt Hình 1.11: Vấn đề gặp phải khi thiết kế dầm kết cấu 1.2 Góc vát (nghiêng) thoát khuôn Các góc vát cho các thành bên trong và bên ngoài rất cần thiết để lấy các sản phẩm ra khỏi khuôn. Thành ngoài yêu cầu góc vát nhỏ hơn so với thành trong.
Vật liệu nhựa nhiệt dẻo giãn nở thể tích khi được gia nhiệt, từ thể rắn chuyển qua thể lỏng và chuyển thành dòng chảy. Sau đó, dòng chảy nhựa được phun vào bên trong khuôn. Khuôn bắt đầu làm nguội nhựa do nhiệt độ nhựa truyền vào khuôn và nhựa co rút (giảm thể tích) khi nhiệt độ giảm, nhựa chuyển từ trạng thái lỏng về lại trạng thái rắn ban đầu. Độ co rút của sản phẩm nhựa là một đặc tính của nhựa, độ co rút này phụ thuộc vào độ dày sản phẩm, áp suất phun/thời gian phun, nhiệt độ khuôn và thời gian làm nguội.
Trong quá trình co rút, các bề mặt sản phẩm bên ngoài thành co lại từ các hốc thành bên ngoài, trong khi các thành bên trong co lại xung quanh bề mặt lõi hoặc thành bên trong, điều này làm cho bề mặt bên ngoài và bề mặt bên trong sản phẩm có sự co rút khác nhau. Nhựa nhiệt dẻo bán tinh thể có đặc tính co rút cao hơn vật liệu vô định hình. Các sản phẩm làm bằng vật liệu bán tinh thể đòi hỏi các góc vát cao hơn các thành bên trong của chúng, trong khi các vật liệu vô định hình có đặc tính co rút khuôn thấp hơn, đòi hỏi góc vát cao hơn các thành bên ngoài của chúng, nhiệt độ khuôn thấp hơn và thời gian làm nguội lâu hơn. Đối với các thành bên ngoài, góc vát tối thiểu từ 0°15’ đến 0°30’ được khuyên dùng.
Đối với bên trong thành, góc vát tối thiểu cho mỗi bức thành từ 0°30’ đến 1° được khuyến nghị. Đối với các sản phẩm làm bằng nhựa gia cường sợi thủy tinh/sợi gia cường, bên trong không có kết cấu và độ sâu dưới 10mm, góc vát tối thiểu trên mỗi thành được khuyến nghị là 1° đến 1°30’. Đối với các thành bên trong có kết cấu sâu hơn 10mm, nên sử dụng góc vát tối thiểu trên mỗi thành từ 1°30’ đến 3°.12 tính toán kích thước vát mỗi bên, dựa trên góc vát và độ sâu lòng khuôn.12: Góc vát lòng khuôn mỗi bên 1.3 Thiết kế gân Khi thiết kế các sản phẩm ép phun với vật liệu nhựa nhiệt dẻo, điều quan trọng là phải duy trì độ dày thành mỏng và đối xứng đồng nhất. Độ dày thành không đồng đều có thể gây ra cong vênh nghiêm trọng, vết lõm và các vấn đề về kích thước.
Nếu độ bền hoặc độ cứng lớn hơn được yêu cầu, thì sử dụng gân tăng bền. Đối với các sản phẩm đòi hỏi bề mặt tốt, việc lựa chọn nhựa nhiệt dẻo thích hợp là rất quan trọng. Đối với nhiều loại nhựa, nên tránh sử dụng gân, vì chúng tạo ra các vết lõm trên bề mặt bên ngoài và khuyết điểm này trở nên nghiêm trọng. Nếu tạo gân là cần thiết trong yêu cầu về hình dáng bề mặt, độ dày của gân phải bằng 40 đến 50% độ dày thành cơ sở, với góc thoát trên mỗi thành tối thiểu là 0°45’.
Có một số loại nhựa cho bề mặt đối điện vùng gân tốt, ví dụ như PVC, ABS, PC, LCP, PBT và PET. Vấn đề về vết lõm có thể được cải thiện bằng cách ẩn các vết lõm phía sau một kết cấu bên ngoài hoặc hoa văn hoặc ký tự hoặc nhấp nhô bề mặt. Đối với các yêu cầu đòi hỏi thành và gân đồng nhất, phải tránh sử dụng các phần thành dày, điều này không chỉ gây ra các vết lõm, mà còn cả các lỗ rỗng bên trong. 14 Bề dày thành cơ sở Vết lõm R Sự cong vênh Khoảng Vùng tiết do nhiệt độ trống diện giao khác nhau nhau Độ dày gân Lỗi phun ép Thiết kế kém hiệu quả Bề dày thành gân nhỏ hơn thành cơ sở Hai thành gân nhỏ sẽ tốt hơn là một Thiết kế tốt Thiết kế tốt Hạ bậc tại chỗ giao nhau giữa gân Tường cơ sở Gân Tường cơ sở Gân Thiết kế tốt Hạ bậc tại chỗ giao nhau giữa gân Tường cơ sở Gân được nối theo Tường cơ sở cách riêng Gân Gân kết nối Gân kết Các mặt trên của tường cơ sở và gân nối không được kết nối, chỉ có một khu vực Thiết kế tốt nhỏ hơn của tường cơ sở và gân được gắn với một tiết diện tường được hạ bậc Hình 1.13: Một số ví dụ thiết kế gân 15 Hình 1.13 cho thấy một số vấn đề ép phun điển hình gặp phải do thiết kế gân không hợp lý.
Khi nhựa nhiệt dẻo và yêu cầu về sản phẩm cho phép thay đổi thiết kế, các khuyến nghị thiết kế sẽ giúp khắc phục vấn đề này. Các mặt trên của thành cơ sở và gân không được kết nối, chỉ có một khu vực nhỏ hơn của tường cơ sở và gân được gắn với phần tiết diện tường được hạ bậc. Bề dày các gân phải là 40% của cấu trúc tường cơ sở và góc vát trên mỗi bức tường là 0°45’ nên được sử dụng, nếu yêu cầu cần có bề mặt sản phẩm tốt. Khi sử dụng nhựa nhiệt dẻo có sợi gia cường và ứng dụng không đòi hỏi phải tốt, nên sử dụng bề dày gân phải nằm trong khoảng từ 60 đến 100% của tường cơ sở và nên sử dụng góc vát trên mỗi bức tường là 1°.
Phương pháp phân tích độ bền gân Gân là sự gia cố được sử dụng để cải thiện lực và độ cứng của sản phẩm nhựa nhiệt dẻo ép phun. Gân là chìa khóa để thay thế kim loại bằng nhựa kỹ thuật. Được thiết kế phù hợp, gân định vị không chỉ làm tăng khả năng chịu tải của kết cấu nhựa nhiệt dẻo mà còn giảm chi phí sản xuất, tăng thời gian chu kỳ, loại bỏ sử dụng độ dày thành dày gây ra vết lõm, giảm các điểm nóng trong khuôn, độ cong vênh thấp hơn và cải thiện kiểm soát kích thước của các sản phẩm phun ép. Thiết kế gân có thể gặp khó khăn, đặc biệt là khi người thiết kế sản phẩm phải dựa trên việc đoán để xác định lực, hình học, kích thước và khoảng cách của các gân.
Ba thiết kế gân cơ bản đã được phát triển cho ngành nhựa dựa trên loại nhựa nhiệt dẻo và yêu cầu ứng dụng sản phẩm. Gân đầu tiên thiết kế cung cấp một bề mặt tốt, thiết kế gân thứ hai là cho cấu trúc các ứng dụng không yêu cầu hoàn thiện tốt và được làm bằng nhựa gia cường, thiết kế gân thứ ba dành cho các ứng dụng kết cấu có bề mặt kém và được làm bằng nhựa gia cường hoặc bọt.14 cho thấy các cách thiết kế gân.