Nghiên Cứu Phân Bố Nhiệt Độ Của Lòng Khuôn Phun Ép Khi Dùng Cooling Layer Dạng 3D

Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong lòng khuôn phun ép là một lĩnh vực quan trọng… 84 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2024.

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Thuận
• Người hướng dẫn: PGS. Đỗ Thành Trung
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Chế Tạo Mô Hình Nghiên Cứu Phân Bố Nhiệt Độ Của Lòng Khuôn Phun Ép Khi Dùng Cooling Layer Dạng 3D
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.2.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.2.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.3. Mục tiêu đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Kết cấu đồ án
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CHẤT DẺO POLYMER VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHUÔN ÉP NHỰA
• 2.1. Tổng quan về vật liệu chất dẻo polymer
• 2.1.1. Khải niệm về vật liệu chất dẻo polymer
• 2.1.2. Tính chất cơ học
• 2.1.3. Tính chất gia công
• 2.1.4. Gia công và áp dụng một số loại nhựa thông dụng
• 2.2. Cơ sở lý về khuôn ép nhựa
• 2.2.1. Máy phun ép nhựa
• 2.2.2. Quy trình phun ép nhựa
• 2.2.3. Khuôn ép nhựa
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THIẾT KẾ KHUÔN ÉP NHỰA
• 3.1. Xác định số lòng khuôn
• 3.2. Hệ thống dẫn nhựa nguội
• 3.3. Hệ thống làm nguội
• 3.3.1. Vai trò của hệ thống làm nguội
• 3.3.2. Các thành phần của hệ thống làm nguội
• 3.3.3. Các phương pháp làm nguội
• 3.3.4. Thiết kế hệ thống đường nước theo dạng cooling layer 3D
• 3.4. Hệ thống dẫn hướng và định vị
• 3.4.1. Hệ thống dẫn hướng
• 3.4.2. Hệ thống định vị
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ SẢN PHẨM DẠNG 3D VÀ KHUÔN ÉP NHỰA VỚI ĐƯỜNG NƯỚC COOLING LAYER 3D
• 4.1. Tổng quan về phần mềm thiết kế Creo Parametric 8
• 4.1.1. Chức năng của phần mềm
• 4.2. Thiết kế sản phẩm dạng 3D trên phần mềm Creo Parametric
• 4.3. Thiết kế khuôn với đường nước cooling layer 3D
• 4.3.1. Tách khuôn từ sản phẩm dạng 3D
• 4.3.2. Mô phỏng phân tích dòng chảy nhựa trong khuôn
• 4.3.3. Thiết kế đường nước cooling layer 3D
• 4.3.4. Thiết kế áo khuôn
• 5. CHƯƠNG 5: QUY TRÌNH GIA CÔNG, LẮP GHÉP VÀ ÉP THỬ KHUÔN ÉP NHỰA
• 5.1. Quy trình gia công và lắp ghép
• 5.2. Ép thử khuôn
• 5.3. Phân tích đánh giá kết quả
• 5.3.1. Phân tích kết quả
• 5.3.2. Đánh giá hiệu quả của cooling layer dạng 3D
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• 6.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Phân Bố Nhiệt Độ Lòng Khuôn Phun Ép

Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong lòng khuôn phun ép là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo nhựa. Việc kiểm soát nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mà còn quyết định hiệu suất sản xuất. Mô hình 3D giúp tối ưu hóa quá trình này, mang lại nhiều lợi ích cho các nhà sản xuất.

1.1. Ý nghĩa của việc nghiên cứu phân bố nhiệt độ

Nghiên cứu này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế làm mát trong khuôn phun nhựa, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm và quy trình sản xuất.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ lòng khuôn

Nhiệt độ lòng khuôn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như chất liệu khuôn, thiết kế kênh giải nhiệt và quy trình sản xuất.

II. Vấn đề và Thách thức trong Nghiên Cứu Nhiệt Độ Khuôn Phun Ép

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong công nghệ làm mát, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc kiểm soát nhiệt độ trong lòng khuôn. Các phương pháp truyền thống thường không hiệu quả, dẫn đến sản phẩm không đạt yêu cầu.

2.1. Những hạn chế của phương pháp làm mát truyền thống

Phương pháp làm mát truyền thống thường không đồng đều, gây ra biến dạng sản phẩm và thời gian chu kỳ sản xuất kéo dài.

2.2. Tác động của nhiệt độ không ổn định đến sản phẩm

Nhiệt độ không ổn định có thể dẫn đến các lỗi như bọt khí, lõm bề mặt và độ chính xác kích thước không đạt yêu cầu.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Phân Bố Nhiệt Độ Với Mô Hình 3D

Để tối ưu hóa phân bố nhiệt độ, nghiên cứu sử dụng mô hình 3D để thiết kế và mô phỏng kênh giải nhiệt. Phương pháp này giúp cải thiện hiệu quả làm mát và giảm thiểu lỗi sản xuất.

3.1. Thiết kế mô hình 3D cho khuôn phun

Mô hình 3D được thiết kế chi tiết, bao gồm các kênh giải nhiệt để tối ưu hóa phân bố nhiệt độ trong lòng khuôn.

3.2. Thực nghiệm kiểm chứng mô hình 3D

Các thí nghiệm được thực hiện để đo đạc và phân tích nhiệt độ tại các vị trí khác nhau trong lòng khuôn, so sánh với mô hình mô phỏng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Nghiên Cứu Nhiệt Độ Khuôn Phun Ép

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trực tiếp vào sản xuất, giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Việc áp dụng công nghệ làm mát hiện đại sẽ nâng cao năng lực cạnh tranh cho doanh nghiệp.

4.1. Cải thiện chất lượng sản phẩm nhựa

Nghiên cứu giúp nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa, giảm thiểu lỗi và tối ưu hóa thời gian sản xuất.

4.2. Tăng cường hiệu quả sản xuất

Việc áp dụng mô hình 3D trong làm mát khuôn sẽ giúp giảm chi phí vận hành và tăng cường hiệu quả sản xuất.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tương Lai

Nghiên cứu phân bố nhiệt độ lòng khuôn phun ép với mô hình 3D không chỉ mang lại những hiểu biết sâu sắc về cơ chế làm mát mà còn mở ra nhiều cơ hội cho ngành công nghiệp sản xuất nhựa. Hướng phát triển trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải tiến công nghệ làm mát và ứng dụng các giải pháp mới.

5.1. Tương lai của công nghệ làm mát khuôn

Công nghệ làm mát khuôn sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều giải pháp mới được nghiên cứu và áp dụng.

5.2. Khuyến nghị cho ngành công nghiệp nhựa

Ngành công nghiệp nhựa cần đầu tư vào nghiên cứu và phát triển công nghệ làm mát hiện đại để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất sản phẩm nhựa đóng vai trò then chốt trong chuỗi cung ứng của nhiều lĩnh vực như sản xuất linh kiện ô tô, thiết bị điện - điện tử và hàng tiêu dùng. Tại Việt Nam, đa số doanh nghiệp chế tạo khuôn mẫu vẫn sử dụng hệ thống làm mát truyền thống với các đường khoan dẫn thẳng. Phương pháp này bộc lộ nhiều hạn chế đối với các sản phẩm có biên dạng hình học phức tạp: sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt lòng khuôn không đồng đều, dẫn đến hiện tượng cong vênh, biến dạng nhiệt, suy giảm độ chính xác kích thước và kéo dài chu kỳ làm mát trong mỗi lần ép.

Trên thế giới, giải pháp ứng dụng hệ thống kênh giải nhiệt ba chiều (cooling layer dạng 3D) uốn lượn bám sát theo biên dạng bề mặt lòng khuôn đã được nghiên cứu nhằm kiểm soát đồng đều trường nhiệt độ, giảm khuyết tật và nâng cao hiệu quả kinh tế. Nhằm tiếp cận và ứng dụng kỹ thuật này vào thực tiễn gia công trong nước, đề tài "Chế tạo mô hình nghiên cứu phân bố nhiệt độ của lòng khuôn phun ép khi dùng cooling layer dạng 3D" (Mã số đề tài: CKM - 18) được thực hiện bởi nhóm sinh viên Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của PGS. Đỗ Thành Trung.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm 3 nội dung chính:

1. Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống làm mát khuôn ép nhựa, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự truyền nhiệt và đánh giá ưu - nhược điểm của các giải pháp giải nhiệt hiện hành.
2. Thiết kế mô hình 3D của sản phẩm, hệ thống khuôn và cụm kênh giải nhiệt cooling layer dạng 3D trên phần mềm chuyên dụng, kết hợp mô phỏng phân tích dòng chảy nhựa.
3. Chế tạo mô hình vật lý dựa trên bản vẽ thiết kế, thực hiện lắp ráp và ép thử nghiệm nhằm kiểm chứng sự hoạt động của kết cấu kênh giải nhiệt 3D.

Đối tượng nghiên cứu là kết cấu khuôn ép phun nhựa tích hợp kênh giải nhiệt cooling layer dạng 3D và trạng thái phân bố nhiệt độ tại lòng khuôn. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc thiết kế, gia công chế tạo bộ khuôn mẫu thực nghiệm và tiến hành ép thử sản phẩm tại hệ thống xưởng thực hành của Khoa Cơ khí Chế tạo máy thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong học kỳ 2 năm học 2023 - 2024.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án tập trung vào tính chất hóa lý của vật liệu polymer, nguyên lý hoạt động của máy phun ép nhựa và các tiêu chuẩn tính toán kết cấu khuôn. Về vật liệu, đồ án hệ thống hóa các nhóm nhựa nhiệt dẻo thông dụng gồm PE (LDPE, HDPE), PP, PS, PVC, PMMA, PA, PC và ABS; đi sâu vào các thông số cơ lý như độ bền kéo đứt, độ bền uốn, độ bền nén ($\sigma_b$), độ biến dạng cực đại ($\varepsilon$), tỷ trọng ($g/cm^3$) và chỉ số chảy ($i_2$ hoặc MFR, đơn vị $g/10\text{ phút}$).

Về thiết bị và khuôn mẫu, đồ án phân tích chu trình ép phun 4 giai đoạn (kẹp khuôn, phun nhựa lỏng, làm mát định hình, mở khuôn đẩy sản phẩm) và so sánh ưu nhược điểm giữa các kết cấu khuôn ép:

Tiêu chí	Khuôn hai tấm kênh dẫn nguội	Khuôn hai tấm kênh dẫn nóng	Khuôn ba tấm
Đặc điểm kênh dẫn	Kênh dẫn nằm trên mặt phân khuôn	Kênh dẫn luôn giữ trạng thái nóng chảy	Kênh dẫn bố trí ở tấm thứ hai riêng biệt
Khả năng cắt đuôi keo	Thủ công hoặc cắt sau khi đẩy	Không sinh ra đuôi keo trên sản phẩm	Tự động cắt đuôi keo khi mở khuôn
Thời gian chu kỳ	Ngắn	Rất ngắn	Dài hơn (hành trình mở khuôn lớn)
Chi phí chế tạo	Thấp nhất	Cao nhất, hệ thống điều khiển phức tạp	Trung bình, cao hơn khuôn 2 tấm nguội
Vật liệu áp dụng	Đa số các loại nhựa thông dụng	Nhựa chịu nhiệt tốt	Phù hợp với cả nhựa kém bền nhiệt

Để xác định các thông số kỹ thuật khuôn, tác giả áp dụng hệ thống công thức:

• Số lòng khuôn ($n$) xác định theo lô sản xuất: $$n = \frac{L \times K \times t_c}{t_m}$$ (Trong đó: $L$ là sản lượng lô sản phẩm, $K = \frac{1}{1-k}$ với $k$ là tỷ lệ phế phẩm, $t_c$ là chu kỳ ép phun, $t_m$ là thời gian hoàn thành lô hàng).
• Số lòng khuôn tối đa theo năng suất phun của máy ép: $$n = 0{,}8 \times \frac{S}{W}$$ (Trong đó: $S$ là dung tích/năng suất phun của máy tính theo $g/\text{lần phun}$, $W$ là khối lượng sản phẩm tính theo $g$).
• Số lòng khuôn tối đa theo lực kẹp của máy: $$n = \frac{S \times P}{F_p}$$ (Trong đó: $F_p$ là lực kẹp danh định của máy, $S$ là diện tích bề mặt chiếu của sản phẩm, $P$ là áp suất trong lòng khuôn).
• Đường kính kênh dẫn nhựa chính ($D$ tính bằng mm) dựa trên khối lượng sản phẩm $W$ và chiều dài kênh $L$: $$D = 3{,}7 \times W^{1/2} \times L^{1/4}$$
• Đường kính kênh dẫn phụ ($D_n$) liên hệ với kênh dẫn chính ($D_c$) qua số nhánh rẽ $N$: $$D_c = D_n \cdot N^{1/3}$$

Phương pháp nghiên cứu gồm ba nhánh: (1) Phương pháp lý thuyết để tổng hợp tài liệu chuyên ngành về khuôn mẫu và vật liệu; (2) Phương pháp thiết kế và mô phỏng trên nền tảng phần mềm Creo Parametric 8.0 để dựng hình học sản phẩm, phân tích đường hàn, bọt khí, sự điền đầy và bố trí cooling layer 3D; (3) Phương pháp thực nghiệm công nghệ để gia công phay CNC, hàn ghép tấm kim loại, lắp ráp hệ thống làm kín và ép thử mẫu trên máy ép nhựa.

---

Thiết kế và chế tạo mô hình khuôn

Hệ thống khuôn trong đề tài được phát triển hoàn chỉnh từ giai đoạn thiết kế mô hình số đến gia công cơ khí thực tế, bao gồm các công đoạn kỹ thuật sau:

Thiết kế trên phần mềm Creo Parametric 8.0

1. Dựng hình học sản phẩm: Thực hiện tuần tự qua 11 bước phác thảo và tạo khối 3D để xác định đầy đủ biên dạng ngoài, thành vách và các góc lượn.
2. Tách khuôn và bố trí lòng khuôn: Xác định mặt phân khuôn chính, tách phần tạo hình thành tấm khuôn âm (cavity plate) và tấm khuôn dương (core plate).
3. Mô phỏng phân tích dòng chảy nhựa: Đánh giá khả năng điền đầy lòng khuôn, nhận diện sớm vị trí xuất hiện bọt khí (air traps), dự đoán các đường hàn (weld lines) phát sinh do sự giao thoa của dòng nhựa, và kiểm tra mức độ co lõm bề mặt (sink marks).
4. Thiết kế kênh làm mát cooling layer dạng 3D: Thay vì khoan lỗ thẳng đơn thuần, kênh làm mát được chia tách thành các lớp dẫn 3D uốn cong song song với bề mặt làm việc của lòng khuôn. Cụm khuôn âm và khuôn dương đều được phân rã thành các tấm ghép: tấm thứ nhất, tấm thứ hai và tấm vỏ khuôn, cho phép tạo rãnh giải nhiệt hở rồi ghép kín lại.
5. Thiết kế hệ thống áo khuôn tiêu chuẩn: Bố trí hoàn chỉnh tấm kẹp trên, tấm kẹp dưới, tấm đỡ, gối đỡ, tấm giữ và tấm đẩy, cùng các chi tiết định vị như vòng định vị, bạc cuống phun, chốt dẫn hướng và bạc dẫn hướng.

Quy trình gia công chế tạo và lắp ghép

Quy trình chế tạo cơ khí cho mô hình khuôn thực nghiệm được tiến hành qua các bước cụ thể:

Bước	Nội dung công việc	Trang thiết bị / Phương pháp
1	Phay rãnh dẫn nước cooling layer 3D trên tấm 1 và tấm 2 của khuôn âm	Máy phay CNC
2	Phay rãnh dẫn nước cooling layer 3D trên tấm 1 và tấm 2 của khuôn dương	Máy phay CNC
3	Gá đặt và gia công phay biên dạng lòng khuôn âm và khuôn dương	Máy phay CNC
4	Gá đặt liên kết và hàn kín các tấm kim loại chứa cooling layer	Hàn ghép kim loại
5	Lắp và hàn các trụ đặc gia cường kết cấu	Gia công cơ khí - Hàn
6	Gia công phay phẳng 6 mặt chuẩn và phay các lỗ công nghệ, lỗ định vị	Máy phay vạn năng / CNC
7	Hoàn thiện bề mặt tấm vỏ cho cụm khuôn âm và cụm khuôn dương	Gia công cơ khí chính xác
8	Lắp đặt cơ cấu làm kín đường nước: thả bi làm kín và lắp ron cao su	Lắp ráp thủ công
9	Lắp ráp hoàn chỉnh các tấm khuôn, hệ thống đẩy, dẫn hướng vào áo khuôn	Lắp ráp cơ khí
10	Gá đặt khuôn lên máy ép phun và tiến hành quy trình ép thử sản phẩm	Máy ép phun nhựa

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này nêu rõ tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh các nhà máy nhựa trong nước cần cải tiến công nghệ làm mát khuôn để giảm tỷ lệ phế phẩm cong vênh và rút ngắn chu kỳ ép. Tác giả xác định ý nghĩa khoa học (bổ sung hiểu biết về truyền nhiệt trong cooling layer 3D, ứng dụng mô phỏng) và ý nghĩa thực tiễn (giải pháp kỹ thuật trực tiếp cho chế tạo khuôn mẫu). Nội dung chương cũng trình bày 3 mục tiêu cụ thể, 3 phương pháp tiếp cận (lý thuyết, thiết kế mô phỏng, thực nghiệm) và cấu trúc đồ án gồm 6 chương.

Chương 2: Tổng quan về vật liệu chất dẻo polymer và cơ sở lý thuyết về khuôn ép nhựa

Chương 2 trình bày kiến thức nền tảng về cấu trúc phân tử polymer, phân loại chất dẻo và phân tích các chỉ tiêu cơ lý (giới hạn bền $\sigma_b$, độ biến dạng cực đại $\varepsilon$, tỷ trọng, chỉ số chảy $i_2$). Tác giả đi sâu vào đặc tính gia công của 9 loại polymer: PE, PP, PS, PVC, PMMA, PA, PC, ABS, LDPE; tổng hợp bảng dữ liệu ép phun tương ứng. Phần sau của chương phân tích kết cấu máy ép phun trục vít (hệ thống phun, kẹp, khuôn, hỗ trợ, điều khiển), trình tự chu trình ép phun 4 giai đoạn và cấu tạo chi tiết của khuôn hai tấm, khuôn ba tấm, khuôn kênh dẫn nóng.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết về thiết kế khuôn ép nhựa

Nội dung chương 3 thiết lập các công thức kỹ thuật làm căn cứ thiết kế: phương pháp xác định số lòng khuôn dựa vào quy mô lô hàng, năng suất phun và lực kẹp máy; kết cấu hệ thống dẫn nhựa nguội bao gồm bạc cuống phun, kênh dẫn chính, kênh dẫn phụ và miệng phun. Chương này cung cấp công thức tính đường kính rãnh dẫn, bảng so sánh ưu nhược điểm giữa các dạng tiết diện kênh dẫn (tròn, nửa tròn, thang), phân tích vai trò của hệ thống làm nguội trong việc kiểm soát tốc độ đông đặc của nhựa và giới thiệu cơ sở bố trí đường nước dạng cooling layer 3D cùng hệ thống dẫn hướng, định vị.

Chương 4: Thiết kế sản phẩm dạng 3D và khuôn ép nhựa với đường nước cooling layer 3D

Chương 4 là phần trọng tâm về thiết kế trên phần mềm Creo Parametric 8.0. Tác giả trình bày chi tiết 11 bước dựng hình sản phẩm 3D, quy trình phân tách mặt phân khuôn để tạo ra lõi khuôn đực (core) và lòng khuôn cái (cavity). Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng điền đầy nhựa của lòng khuôn, vị trí xuất hiện bọt khí, sự hình thành các đường hàn và mức độ co ngót lõm bề mặt. Tác giả trình bày phương án thiết kế kênh dẫn cooling layer 3D qua 4 bước: chia cụm khuôn âm và khuôn dương thành các tấm kim loại nhiều lớp ghép nối với nhau, sau đó tích hợp vào cụm áo khuôn tiêu chuẩn.

Chương 5: Quy trình gia công, lắp ghép và ép thử khuôn ép nhựa

Chương 5 ghi lại quy trình chế tạo vật lý: phay CNC các đường nước cooling layer 3D trên từng tấm ghép; gá đặt và hàn liên kết các tấm để hình thành mạch làm mát 3D kín bên trong; hàn trụ đặc trợ lực; phay chuẩn 6 mặt và khoan các lỗ bắt bu-lông, lỗ chốt dẫn hướng; thả bi chặn và chèn gioăng cao su chịu nhiệt để làm kín mạch nước; lắp ráp toàn bộ hệ thống đẩy, tấm giữ, tấm kẹp. Cuối chương, nhóm tác giả tiến hành ép thử nghiệm trên máy ép phun thực tế, thu được sản phẩm định hình hoàn chỉnh và phân tích đánh giá bước đầu về khả năng vận hành của khuôn.

Chương 6: Kết luận

Chương tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được: hoàn thành việc thiết kế trên mô hình số, chế tạo thành công bộ khuôn thực tế có cooling layer 3D và ép thử nghiệm thành công. Chương này cũng đề xuất hướng phát triển mở rộng cho đề tài trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Đề tài đã hoàn thành các kết quả kỹ thuật cụ thể:

• Thiết lập hoàn chỉnh bộ hồ sơ thiết kế 3D của sản phẩm, hệ thống lòng khuôn và áo khuôn trên phần mềm Creo Parametric 8.0; hoàn thành các bước mô phỏng dòng chảy, điền đầy, kiểm tra bọt khí, đường hàn và vết lõm.
• Đề xuất và hiện thực hóa giải pháp kết cấu cho hệ thống cooling layer 3D: chia tách khối khuôn thành các tấm lớp mỏng (tấm 1, tấm 2 và tấm vỏ), gia công phay rãnh CNC riêng rẽ rồi dùng kỹ thuật hàn ghép kim loại để tạo thành đường nước kín uốn lượn sát lòng khuôn.
• Chế tạo thành công bộ khuôn vật lý tại xưởng, xử lý đạt yêu cầu bài toán làm kín rãnh dẫn nước bằng hệ thống ron cao su và bi làm kín.
• Gá lắp và ép thử nghiệm thành công trên máy ép phun nhựa, cho ra sản phẩm thực tế định hình rõ nét, chứng minh tính khả thi về mặt công nghệ của phương án cooling layer 3D phân lớp.

Về mặt đóng góp, đề tài mở ra hướng tiếp cận chế tạo kênh làm mát 3D bằng phương pháp gia công cơ khí truyền thống (phay CNC rãnh lớp kết hợp hàn ghép khối), giúp các đơn vị sản xuất khuôn mẫu trong nước có thể ứng dụng kết cấu cooling layer 3D mà không nhất thiết phải đầu tư máy in 3D kim loại chuyên dụng đắt đỏ.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản đồ án cho thấy một số hạn chế gắn liền với phạm vi chế tạo thực nghiệm:

• Phương pháp ghép nối các tấm bằng kỹ thuật hàn kim loại có nguy cơ tiềm ẩn về ứng suất dư nhiệt và đòi hỏi tay nghề gia công cao để đảm bảo độ phẳng cũng như khả năng chống rò rỉ nước tuyệt đối tại các mối ghép.
• Quá trình thực nghiệm tại xưởng chủ yếu tập trung vào việc ép thử định hình sản phẩm; chưa công bố số liệu đo đạc định lượng đa điểm về trường nhiệt độ bề mặt khuôn theo thời gian thực (bằng cặp nhiệt điện thermocouple hoặc camera ảnh nhiệt) để so sánh chi tiết với số liệu mô phỏng.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề cập gồm:

1. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bồi đắp kim loại (như in 3D kim loại, công nghệ hàn bồi Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM) để chế tạo khối khuôn có cooling layer 3D liền khối, loại bỏ hoàn toàn các mối hàn ghép nối.
2. Tích hợp hệ thống cảm biến đo nhiệt độ trực tiếp vào các vị trí trọng yếu trong lòng khuôn để thu thập dữ liệu phân bố nhiệt độ thực nghiệm chi tiết.
3. Mở rộng thử nghiệm ép phun với các chủng loại nhựa kỹ thuật khác nhau (ABS, PC, PA) nhằm đánh giá đầy đủ ảnh hưởng của cooling layer 3D đến thời gian chu kỳ làm mát và độ co ngót sản phẩm.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên, giảng viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Khuôn mẫu và các kỹ sư thiết kế khuôn ép nhựa. Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật bao gồm:

• Phương pháp tính toán hệ thống cấp nhựa nguội và các công thức xác định số lòng khuôn tại Chương 3.
• Quy trình dựng hình, tách khuôn và phân tích mô phỏng dòng chảy trên phần mềm Creo Parametric 8.0 tại Chương 4.
• Phương pháp công nghệ phân tách tấm khuôn thành nhiều lớp để phay CNC rãnh nước 3D kết hợp hàn ghép và kỹ thuật làm kín bằng bi, gioăng cao su tại Chương 5.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài sử dụng giải pháp công nghệ nào để tạo ra đường nước cooling layer dạng 3D trong thân khuôn?
Thay vì khoan thẳng truyền thống hoặc in 3D kim loại nguyên khối, tác giả chia cụm khuôn âm và khuôn dương thành các tấm kim loại thành phần (tấm thứ nhất, tấm thứ hai và vỏ khuôn). Các rãnh dẫn nước 3D uốn lượn được gia công phay bằng máy CNC trên bề mặt từng tấm, sau đó các tấm được gá đặt và hàn liên kết lại với nhau để tạo thành khối khuôn hoàn chỉnh có đường nước làm mát kín bên trong.

2. Nhóm tác giả sử dụng phần mềm nào để thiết kế 3D và mô phỏng quá trình ép phun?
Toàn bộ quá trình thiết kế hình học 3D của sản phẩm (qua 11 bước dựng hình), tách mặt phân khuôn, thiết kế cooling layer 3D, thiết kế áo khuôn và mô phỏng phân tích dòng chảy (kiểm tra điền đầy, bọt khí, đường hàn, co lõm) được thực hiện trên phần mềm Creo Parametric 8.0.

3. Số lòng khuôn được xác định dựa trên những công thức tính toán nào?
Đồ án tính toán số lòng khuôn dựa trên 3 tiêu chí: năng suất lô sản xuất ($n = \frac{L \times K \times t_c}{t_m}$), năng suất phun cực đại của máy ép ($n = 0{,}8 \times \frac{S}{W}$) và giới hạn lực kẹp của máy ép ($n = \frac{S \times P}{F_p}$).

4. Giải pháp làm kín mạch nước cooling layer 3D trong khuôn được thực hiện bằng cách nào?
Sau khi gia công phay CNC các rãnh dẫn nước và hàn liên kết các tấm khuôn, hệ thống làm kín được hoàn thiện bằng cách lắp đặt các gioăng cao su chịu nhiệt dọc theo chu vi mạch dẫn và sử dụng phương pháp thả bi kim loại làm kín tại các đầu nút công nghệ để ngăn chặn hiện tượng rò rỉ môi chất làm mát.

5. Kết cấu bộ khuôn thực tế được chế tạo thuộc loại khuôn mấy tấm?
Bộ khuôn thực nghiệm được thiết kế và chế tạo theo kết cấu khuôn hai tấm có hệ thống kênh dẫn nguội, tích hợp bạc cuống phun, chốt dẫn hướng, bạc dẫn hướng, vòng định vị, hệ thống pin đẩy và cụm cooling layer 3D phân lớp tại cả nửa khuôn âm và nửa khuôn dương.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Chế tạo mô hình nghiên cứu phân bố nhiệt độ của lòng khuôn phun ép khi dùng cooling layer dạng 3D" của nhóm tác giả tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã giải quyết trọn vẹn quy trình từ nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế mô hình 3D đến chế tạo cơ khí thực tế. Nghiên cứu chứng minh tính khả thi của giải pháp phay CNC phân lớp kết hợp hàn ghép kim loại để tạo hình hệ thống làm mát 3D uốn lượn ôm sát lòng khuôn, mở ra hướng ứng dụng hiệu quả cho ngành khuôn mẫu trong nước. Bộ khuôn thực nghiệm được chế tạo hoàn thiện, vận hành ổn định và ép thử thành công sản phẩm nhựa, tạo nền tảng vững chắc cho các nghiên cứu đo đạc trường nhiệt chuyên sâu tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu.  Chương 2: Tổng quan về vật liệu chất dẻo polymer và cơ sở lý thuyết về khuôn ép nhựa.  Chương 3: Cơ sở lý thuyết về thiết kế khuôn ép nhựa  Chương 4: Thiết kế sản phẩm và khuôn ép nhựa đường nước có hình dạng cooling layer 3D.  Chương 5: Quy trình gia công, lắp ghép và ép thử khuôn ép nhựa  Chương 6: Kết luận.

3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CHẤT DẺO POLYMER VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHUÔN ÉP NHỰA 2.1 Tổng quan về vật liệu chất dẻo polymer 2.1 Khải niệm về vật liệu chất dẻo polymer Chất dẻo hay còn gọi là nhựa polymer, là các hợp chất có phân tử chứa các nhóm nguyên tử liên kết với nhau qua các liên kết hóa học, tạo thành các chuỗi dài và có khối lượng phân tử lớn. Trong chuỗi chính của polymer, các nhóm nguyên tử này được lặp lại nhiều lần.2 Phân loại  Dựa vào nguồn gốc:  Polymer thiên nhiên: Được tìm thấy trong tự nhiên.  Polymer nhân tạo: Được con người sản xuất bằng cách biến đổi các polymer thiên nhiên.  Polymer tổng hợp: Được tạo ra hoàn toàn từ các quá trình hóa học.

 Dựa vào tính chất cơ lý:  Chất dẻo: Bao gồm các vật liệu có tính dẻo và có thể thay đổi hình dạng khi chịu lực.  Chất đàn hồi: Bao gồm các vật liệu có khả năng đàn hồi và trở lại hình dạng ban đầu sau khi bị kéo dãn.  Nhựa nhiệt dẻo: Nhựa nhiệt dẻo là một nhóm quan trọng trong các polymer tổng hợp, bao gồm các phân tử cao có kích thước xác định và có thể là mạch thẳng hoặc phân nhánh. Đặc điểm của nhựa nhiệt dẻo là có thể chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái dẻo khi tăng nhiệt độ và quá trình này có thể lặp lại nhiều lần.

Do đó, nhựa nhiệt dẻo có thể tái chế được (trừ PTFE - polytetraflouroethylene). Ví dụ: PE, PP, PVC, PS, PMMA. Trong kỹ thuật, nhựa nhiệt dẻo ám chỉ tất cả các polymer mà lực liên kết giữa các phân tử là các liên kết thứ cấp như lực Van der Waals và liên kết hydro. Loại nhựa này nhạy cảm với nhiệt độ và dung môi.

 Cao su, chất đàn hồi: Cao su là các polymer mạch thẳng có liên kết thứ cấp rất yếu, tồn tại ở dạng chất lỏng rất nhớt. Để sử dụng, cần tạo liên kết ngang giữa các mạch phân tử để hình thành mạng lưới không gian ba chiều. Cao su có khả năng dãn dài lên đến 1. Tuy nhiên, do có liên kết ngang nên không thể tái chế được.

 Nhựa nhiệt rắn: Nhựa nhiệt rắn có mật độ liên kết ngang dày đặc, cao hơn từ 10 đến 1.000 lần so với cao su, tạo thành mạng lưới không gian ba chiều với kích thước phân tử rất lớn. Nhựa nhiệt rắn có tính chất vượt trội hơn so với nhựa nhiệt dẻo, đặc biệt là khả 4 năng chịu nhiệt, không tan, không chảy và không tái chế được. Ví dụ: PF, PU, nhựa epoxy, silicone.  Dựa vào công dụng:  Nhựa thông dụng: Bao gồm PE, PP, PVC, PS, ABS, HIPS.

 Nhựa kỹ thuật: Bao gồm PA, PC, POM, Teflon.  Nhựa chuyên dụng: Bao gồm PE khối lượng phân tử cực cao, PTFE, PPS, PPO.3 Tính chất cơ học 2.1 Độ bền cơ học Độ bền cơ học là khả năng của vật liệu chống lại sự phá hủy khi chịu tác động của các lực cơ học. Độ bền của một sản phẩm làm từ vật liệu polymer phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:  Chế độ trùng hợp, loại xúc tác, phụ gia,.  Phương pháp gia công.

 Kết cấu và hình dạng của sản phẩm.2 Các Thông Số Cơ Bản về Độ Bền Có hai thông số cơ bản phản ánh độ bền của polymer:  Giới hạn bền (σb): Là giá trị ứng suất mà tại đó mẫu bị phá hủy dưới những điều kiện nhất định. Giới hạn bền có thể xác định theo nhiều loại biến dạng khác nhau như kéo đứt, nén, uốn,. tương ứng là độ bền kéo đứt, độ bền nén, và độ bền uốn.  Độ bền kéo đứt: Khả năng chịu lực của vật liệu khi bị kéo dãn bởi một lực xác định cho đến khi đứt.

 Độ bền uốn: Khả năng chịu lực của vật liệu khi bị uốn.  Độ bền nén: Khả năng chịu lực của vật liệu khi bị nén. Giới hạn bền của polymer phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường thử nghiệm và thời gian tác động của lực, do đó khi so sánh độ bền giữa các polymer, cần thực hiện ở cùng điều kiện thử nghiệm.  Độ biến dạng cực đại tương đối (ε): Là giá trị biến dạng tại thời điểm mẫu bị đứt.

Độ biến dạng cực đại tương đối cũng phụ thuộc vào loại biến dạng, tốc độ biến dạng và nhiệt độ. Nó cho phép suy luận về trạng thái của vật liệu khi đứt. Ví dụ, khi vật liệu giòn bị đứt, độ biến dạng cực đại tương đối không vượt quá vài phần trăm, trong khi ở trạng thái mềm, độ biến dạng có thể từ hàng trăm đến hàng ngàn phần trăm. Trong trường hợp kéo đơn trục (một phương), độ biến dạng tương đối cực đại có thể là độ dãn dài khi đứt.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bề cơ học Những yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu nhựa như:  Sự định hướng: Do mạch phân tử có chiều dài rất lớn so với chiều ngang, polymer có độ bền cao hơn khi chịu lực theo chiều định hướng.

 Cấu trúc polymer: Polymer kết tinh có độ bền cao hơn polymer vô định hình. Cấu trúc sợi bền hơn cấu trúc cầu.  Phụ gia: Phụ gia được thêm vào để cải thiện tính chất cơ lý của nhựa theo yêu cầu sản xuất. Tuy nhiên, lượng phụ gia thêm vào chỉ cải thiện tính chất cơ học đến một mức độ nhất định; nếu dùng quá nhiều, có thể gây tác dụng ngược.4 Tính chất gia công 2.1 Chỉ số chảy  Khái niệm: Chỉ số chảy là một thông số kỹ thuật quan trọng thể hiện tính chảy hay khả năng chảy của vật liệu, rất cần thiết trong quá trình chọn lựa nguyên vật liệu và công nghệ gia công.

Chỉ số chảy được ký hiệu là: i2.  Đơn vị tính: Đơn vị tính của chỉ số chảy là: g/10 phút. Chỉ số này được đo ở điều kiện áp suất (tải trọng) và nhiệt độ nhất định theo tiêu chuẩn đo.  Ý nghĩa của chỉ số chảy:  Chỉ số chảy cao:  Trọng lượng phân tử thấp, dễ chảy.

 Sử dụng nhiệt độ và áp suất gia công thấp.  Chu kỳ sản xuất ngắn.  Dễ gia công và sản phẩm đạt chất lượng cao hơn.  Chỉ số chảy thấp:  Vật liệu khó chảy, sản phẩm dễ bị khuyết tật.

 Tăng thời gian điền đầy khuôn.  Tăng thời gian duy trì áp suất.  Áp suất điền đầy khuôn phải cao.  Đôi khi đòi hỏi nhiệt độ gia công cao.2 Tỷ Trọng  Khái niệm: Tỷ trọng thể hiện một phần tính chất của nguyên liệu nhựa.

 Đơn vị tính: Đơn vị tính của tỷ trọng là: g/cm³.  Ý nghĩa của tỷ trọng:  Tỷ trọng tăng:  Lực kéo đứt tăng.  Nhiệt độ biến mềm tăng.  Độ kháng hóa chất tăng.

 Tỷ trọng giảm:  Lực va đập giảm. Những thay đổi trong tỷ trọng của nguyên liệu nhựa ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học và khả năng gia công của vật liệu, do đó cần được kiểm soát chặt chẽ trong quá trình sản xuất. Bảng tỷ trọng của một số loại nhựa thông dụng[10] 2.5 Gia công và áp dụng một số loại nhựa thông dụng 2. Trong quá trình ép phun, loại PE dễ chảy (i2 > 25) được sử dụng để gia công các sản phẩm có khối lượng lớn.

Độ co ngót (liên quan đến tỷ trọng của sản phẩm) chịu tác động của nhiệt độ trong quá trình hóa dẻo và làm nguội.  PE có tỷ trọng cao và chỉ số chảy thấp: Để đạt được sản phẩm có độ bóng cao, nhiệt độ khuôn cần duy trì từ 40 đến 70°C. Tuy nhiên, loại PE này dễ bị rạn nứt do tập trung ứng suất, đặc biệt với chỉ số chảy i2 từ 2,5 đến 4.  Khắc phục hiện tượng giòn: Do tính định hướng phân tử mạnh, PE có thể trở nên giòn.

Để khắc phục, cần tăng nhiệt độ phun và sử dụng loại nhựa có chỉ số chảy cao phù hợp. 7  Ứng dụng của Polyethylene (PE):  Polyethylene tỷ trọng thấp (LDPE): Sử dụng để sản xuất túi nhựa, màng bọc thực phẩm, và các loại bao bì mềm dẻo.  Polyethylene tỷ trọng cao (HDPE): Sử dụng cho các sản phẩm cần độ bền cao như chai lọ, ống dẫn nước, và thùng chứa. Nhờ tính chất dễ gia công và khả năng điều chỉnh các thông số để phù hợp với nhiều yêu cầu kỹ thuật, PE là một trong những loại nhựa được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp.

Bảng gia công và áp dụng PE dùng cho ép phun[10] 2.2 Polypropylene (PP) Polypropylene (PP) thường được sử dụng trong ép phun dưới dạng hạt, mặc dù cũng có một số loại dưới dạng bột. PP dùng ở nhiệt độ cao giúp tăng tính ổn định và chống lại các tác động có hại như oxy hóa, PP thường được kết hợp với các chất phụ gia:  Kháng lão hóa nhiệt thông thường: Sử dụng các phụ gia bôi trơn không có hại về mặt sinh học.  Kháng lão hóa nhiệt cao: Được ổn định bằng quang học và không ảnh hưởng sinh học.  Kháng thời tiết: Ổn định bằng than đen và amine có cấu trúc không gian cồng kềnh, thích hợp cho các ứng dụng ngoài trời.

 Kháng lão hóa nhiệt cao với dung dịch tẩy rửa nóng và nước nóng: Không gây hại, không độc. 8  Kháng lão hóa nhiệt cao khi tiếp xúc với đồng và các kim loại khác.  Ứng dụng của Polypropylene (PP):  Công nghệ ép phun: PP thường được ổn định để sử dụng trong sản xuất các thiết bị nhà bếp, nội thất, thiết bị vệ sinh, gót giày, đồ dùng gia đình (chén, đĩa,.  PP kháng nhiệt: Được sử dụng để sản xuất các bộ phận máy giặt gia đình và công nghiệp dệt, ví dụ lõi quấn chỉ bộ phận nhuộm, các phần của máy móc điện tiếp xúc với dây đồng.

 Lĩnh vực phương tiện vận chuyển: Nhiều loại PP, có hoặc không có gia cường, được dùng để làm vỏ ắc quy, cửa thông gió xe hơi, vô lăng xe hơi, bộ lọc không khí, thanh chắn bùn, và cái hãm phanh. Nhờ tính ổn định và khả năng chịu nhiệt cao, PP là một trong những vật liệu quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, từ sản xuất hàng gia dụng đến các ứng dụng công nghiệp nặng.