Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình sản xuất và ứng dụng các sản phẩm từ vật liệu polyme, yêu cầu về cơ tính và mức độ an toàn cháy nổ đóng vai trò then chốt trong việc xác định phạm vi sử dụng thực tế. Tương tự kim loại, vật liệu nhựa cần được kiểm định các chỉ tiêu cơ lý như độ bền kéo, độ bền uốn và độ dai va đập. Để có được kết quả đo đạc chính xác, việc chế tạo mẫu thử chuẩn hóa theo các tiêu chuẩn quốc tế là điều kiện tiên quyết. Hiện nay, hệ thống tiêu chuẩn ASTM (American Society for Testing and Materials) được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu trong việc đánh giá vật liệu polyme.

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trong công tác đào tạo và nghiên cứu vật liệu polyme tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đề tài tốt nghiệp mã số CKM-56 với tên gọi "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ khuôn phun ép cho bộ mẫu đo cơ tính và khả năng chống cháy của vật liệu nhựa theo tiêu chuẩn ASTM" đã được thực hiện bởi nhóm sinh viên Lê Minh Nhật, Nguyễn Anh Dũng và Nguyễn Trần Quang Trường dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Văn Trọn.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm bốn nội dung chính:

  1. Nghiên cứu tổng quan về công nghệ ép phun và các loại vật liệu nhựa thông dụng.
  2. Nghiên cứu các thông số hình học và yêu cầu kỹ thuật của bộ mẫu kiểm tra cơ tính và khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn ASTM.
  3. Thiết kế mô hình 3D của bộ mẫu thử đạt các tiêu chuẩn: đo độ bền kéo (ASTM D638), đo độ bền uốn (ASTM D790), đo độ dai va đập (ASTM D256) và đo độ chống cháy (ASTM UL94).
  4. Thiết kế, mô phỏng dòng chảy, lập quy trình công nghệ gia công, chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh bộ khuôn ép phun hai tấm, sau đó tiến hành ép thử nghiệm thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình thiết kế, chế tạo bộ khuôn ép phun hai tấm và các mẫu thử nghiệm cơ tính, chống cháy theo tiêu chuẩn ASTM.
  • Phạm vi không gian: Thực hiện tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, có sự phối hợp thực tập và hỗ trợ gia công tại Công ty TNHH Sản Xuất Thương Mại Dịch Vụ SPKT.
  • Phạm vi kỹ thuật và kích thước: Bộ khuôn được giới hạn trong kích thước phủ bì tối đa là 300 mm (dài) × 300 mm (rộng) × 215 mm (cao). Vật liệu thử nghiệm thực tế tại xưởng ép là nhựa Polypropylene (PP) và Polyethylene (PE).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết dựa trên các nguyên lý nhiệt động học polyme, cấu tạo máy phun ép và các bộ tiêu chuẩn kiểm tra cơ lý tính:

  1. Khung lý thuyết vật liệu và thiết bị:
    • Phân loại cấu trúc polyme: Mạch thẳng, mạch nhánh và mạch không gian/mạch lưới; phân định nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn; các phương thức polyme hóa (phản ứng trùng hợp chuỗi và trùng ngưng).
    • Cơ sở lý thuyết về các tính chất cơ lý của nhựa: Độ dãn dài, độ cứng, độ dai va đập, độ chịu mài mòn, tỷ trọng (dao động từ 0,9 đến 2 g/cm³), chỉ số nóng chảy (MFI), độ hút ẩm, độ co rút thể tích, tính cách điện và hệ số truyền nhiệt.
    • Các dòng nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật khảo sát trong thiết kế: PE, PP, PC, PBT, TPU và PA cùng hệ số co rút tương ứng.
    • Cấu tạo hệ thống máy phun ép trục vít: Hệ thống kẹp khuôn (cơ cấu khuỷu/xylanh thủy lực, tấm di động, tấm cố định), hệ thống phun (phễu cấp liệu, khoang chứa liệu nung nhiệt, trục vít 3 vùng gồm vùng cấp liệu 50%, vùng nén 25%, vùng định lượng 25%; bộ hồi tự hở gồm screw tip, check-ring và seat; vòi phun), hệ thống điều khiển và các hệ thống phụ trợ (thủy lực, điện, làm nguội).
Loại nhựa Tỷ trọng (g/cm³) Hệ số co rút điển hình (%) Đặc tính nhiệt và cơ lý cơ bản
PE (Polyethylene) 0,91 – 0,96 1,5 – 3,0 Tg ≈ -100°C, Tm ≈ 120°C; dẻo dai, chống thấm nước tốt, cách điện tốt
PP (Polypropylene) 0,90 – 0,91 1,0 – 3,0 Cứng hơn PE, chịu nhiệt tốt hơn PE, giòn ở nhiệt độ thấp, dễ gia công
PC (Polycarbonate) 1,20 0,5 – 0,7 Độ bền va đập và độ bền kéo rất cao, vô định hình, trong suốt, chịu nhiệt > 100°C
PBT (Polybutylene Terephthalate) 1,31 1,5 – 2,0 Bán kết tinh, ổn định kích thước cao, chịu hóa chất, cách điện tốt
TPU (Thermoplastic Polyurethane) 1,10 – 1,25 0,5 – 1,5 Độ đàn hồi cao, chịu mài mòn tốt, làm việc từ -50°C đến nhiệt độ cao
PA (Polyamide / Nylon) 1,12 – 1,15 0,5 – 1,5 Bền cơ học, chống mài mòn, làm việc ổn định trong dải -40°C đến 110°C

  1. Tiêu chuẩn ASTM sử dụng để thiết kế mẫu:

    • ASTM D638: Tiêu chuẩn xác định độ bền kéo của vật liệu nhựa (sử dụng mẫu loại IV - Type IV dogbone).
    • ASTM D790: Tiêu chuẩn xác định độ bền uốn của nhựa không gia cường và gia cường (mẫu dạng thanh dẹt).
    • ASTM D256: Tiêu chuẩn xác định độ dai va đập con lắc Pendulum (phương pháp Izod) với mẫu có rãnh chữ V và mẫu không rãnh.
    • ASTM UL94: Tiêu chuẩn kiểm tra tính dễ cháy và an toàn chống cháy của vật liệu nhựa cho các bộ phận thiết bị.

  2. Phương pháp nghiên cứu thực hiện:

    • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập các nghiên cứu liên quan về phối trộn polyme (như PBT/HDPE, PC/PBT, hạt compound PE chống cháy với phụ gia ATH/MPP/ZnSt) để làm rõ yêu cầu chế tạo mẫu chuẩn.
    • Phương pháp thiết kế mô hình CAD: Ứng dụng phần mềm Creo Parametric 8.0 để mô hình hóa hình học 3D của các mẫu thử, phân tích góc thoát khuôn, tạo phôi, thiết kế mặt phân khuôn, hệ thống kênh dẫn, cổng rót và tách lòng khuôn.
    • Phương pháp mô phỏng kỹ thuật CAE: Sử dụng phần mềm Moldex3D Studio 2023 để mô phỏng trường dòng chảy, điền đầy (Filling), nén duy trì áp suất (Packing), làm mát (Cooling) và tính toán biến dạng cong vênh (Warpage).
    • Phương pháp gia công cơ khí: Lập quy trình công nghệ gia công cơ khí kết hợp giữa máy phay vạn năng truyền thống và trung tâm gia công phay CNC MAZAK VQC – 20/50B.
    • Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp khuôn hoàn chỉnh và thử nghiệm ép thực tế trên máy ép nhựa công nghiệp Toshiba ISG 150 tại xưởng sản xuất.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống khuôn được thiết kế theo kết cấu khuôn hai tấm nhiều lòng khuôn (family mold) tích hợp đồng thời nhiều loại mẫu trên cùng một chu kỳ ép.

1. Kiến trúc kết cấu bộ khuôn

Bộ khuôn có kích thước tổng thể 300 × 300 × 215 mm, bao gồm các cụm và tấm chức năng:

  • Tấm kẹp trên và tấm kẹp dưới: Dùng kẹp bộ khuôn vào bàn máy ép tĩnh và bàn máy ép di động.
  • Tấm khuôn dương (core plate) và tấm khuôn âm (cavity plate): Nơi chứa lòng khuôn định hình các mẫu thử ASTM D638, D790, D256 và UL94.
  • Hệ thống dẫn hướng và định vị: Vòng định vị đường kính ngoài đồng tâm với đầu phun máy ép, bạc cuống phun kết hợp với các chốt dẫn hướng và bạc dẫn hướng có vai theo tiêu chuẩn linh kiện Misumi.
  • Hệ thống kênh dẫn và miệng phun: Cuống phun chính nối với hệ thống kênh dẫn nhựa có tiết diện hình thang hiệu chỉnh nhằm cân bằng dòng chảy. Miệng phun sử dụng kết cấu miệng phun quạt (fan gate) nhằm phân bố đều dòng nhựa lỏng vào các mẫu dẹt, tránh tạo ứng suất tập trung.
  • Hệ thống làm nguội: Bố trí các đường khoan dẫn nước làm mát đi qua cả nửa khuôn trên và nửa khuôn dưới, sử dụng đầu nối đường nước tiêu chuẩn Misumi.
  • Hệ thống lói/đẩy sản phẩm: Bao gồm tấm đẩy, tấm giữ, ty đẩy (chốt đẩy Misumi), ty giật đuôi keo, chốt hồi và hệ thống lò xo hồi vị.

2. Thông số mô phỏng CAE trên Moldex3D Studio 2023

Quá trình phân tích dòng chảy thực hiện qua các bước: Nhập mô hình hình học, khai báo thuộc tính linh kiện (Part, Cavity, Runner, Cooling channel, Mold base), chia lưới thể tích (Mesh generation), thiết lập thông số công nghệ ép và tiến hành giải bài toán:

  • Phân tích điền đầy và nén (Filling & Packing): Đánh giá thời gian điền đầy toàn bộ lòng khuôn, sự phân bố áp suất phun cực đại, trường nhiệt độ nhựa tại thời điểm kết thúc điền đầy và dự đoán vị trí các bẫy khí/rỗ khí phát sinh ở cuối dòng chảy để bố trí rãnh thoát khí.
  • Phân tích làm nguội và biến dạng (Cooling & Warpage): Đánh giá nhiệt độ tiếp xúc mặt khuôn, nhiệt độ lõi sản phẩm, thời gian làm nguội trong toàn chu kỳ ép, hiệu quả giải nhiệt của các đường nước làm mát và tỷ lệ co rút thể tích, độ cong vênh cục bộ của từng thanh mẫu thử.

3. Trang thiết bị và quy trình gia công, kiểm thử

  • Máy gia công chế tạo khuôn: Trung tâm phay CNC MAZAK VQC – 20/50B thực hiện phay biên dạng lòng khuôn, hốc lắp ghép, khoan hệ thống lỗ chốt dẫn hướng và các đường nước làm mát.
  • Quy trình gia công chi tiết: Lập bảng tiến trình công nghệ chi tiết cho từng tấm: Tấm kẹp trên, tấm khuôn dương, tấm khuôn âm, gối đỡ, tấm giữ, tấm đẩy và tấm kẹp dưới.
  • Thiết bị ép thử nghiệm: Máy ép phun nhựa thủy lực Toshiba ISG 150.
  • Quy trình thử nghiệm: Sấy hạt nhựa, kiểm tra áp suất kẹp, cài đặt thông số gia nhiệt xylanh theo từng vùng, ép xả cặn, lắp khuôn lên máy, định tâm vòi phun, thử nghiệm chu kỳ ép với hạt nhựa PE và PP, đo đạc kích thước sản phẩm thực tế thu được.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chương này phân tích tổng quan bối cảnh thực tiễn của ngành sản xuất và gia công chất dẻo. Tác giả chỉ rõ yêu cầu kiểm soát chất lượng vật liệu nhựa thông qua các chỉ tiêu cơ lý và khả năng chống cháy là yếu tố quyết định đến tính an toàn của sản phẩm hoàn thiện. Nội dung chương dẫn chứng hàng loạt công trình nghiên cứu sử dụng mẫu chuẩn ASTM:

  • Nghiên cứu của Nga Thi-Hong Pham và Van-Thuc Nguyen (2020) về hỗn hợp PBT/HDPE ứng dụng các mẫu thử ASTM D638, D790, D256.
  • Công trình của Nga Thi-Hong Pham và Ngoc-Thien Tran (2021) khảo sát cơ tính hỗn hợp PBT/PC với các mẫu đo kéo, uốn, va đập tương tự.
  • Nghiên cứu của Trần Vũ Thắng và Hoàng Thị Phương (2021) về chất chống cháy compound PE dùng phụ gia ATH/MPP/ZnSt kiểm định qua thử nghiệm UL-94.
  • Các công trình quốc tế của Dong Seok Shin và cộng sự (2019) về vật liệu polyme gia cường sợi thủy tinh GFRP (ASTM D638) và B. Reddappa (2018) về hỗn hợp PA66/PP với đầy đủ các phép đo ASTM D638, D790, D256 và UL94.

Từ đó, chương 1 xác lập tính cấp thiết, mục tiêu chế tạo bộ khuôn mẫu chuẩn phục vụ nghiên cứu tại trường, giới hạn kích thước bao khuôn trong phạm vi 300 × 300 × 215 mm và vạch ra lộ trình nghiên cứu bằng phương pháp kết hợp CAD/CAE/CAM.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

Chương 2 trình bày có hệ thống các kiến thức nền tảng:

  • Lý thuyết polyme: Cấu trúc phân tử mạch thẳng, mạch nhánh, mạch lưới; cơ chế trùng hợp và trùng ngưng; các chỉ số đặc trưng (độ bền kéo, độ dãn dài, độ dai va đập Charpy/Izod, tỷ trọng 0,9 - 2 g/cm³, chỉ số chảy MFI, độ co rút).
  • Đánh giá chi tiết 6 họ nhựa kỹ thuật: PE, PP, PC, PBT, TPU, PA về đặc tính cơ lý, nhiệt độ biến đổi trạng thái và ứng dụng thực tế.
  • Khảo sát nguyên lý vận hành và cấu trúc máy ép phun: Phân tích sâu cụm kìm kẹp (xylanh, cơ cấu khuỷu liên động, tấm tĩnh, tấm động), cụm phun ép liệu (trục vít phân định 3 vùng chức năng, bộ hồi tự hở check-ring/seat, phễu sấy, băng gia nhiệt) và các khối chức năng phụ trợ.
  • Cơ sở kỹ thuật của 4 tiêu chuẩn đo lường:
    1. Độ bền uốn ASTM D790 (phương pháp uốn 3 điểm).
    2. Độ dai va đập ASTM D256 (phương pháp con lắc đập có khía rãnh V và không rãnh V).
    3. Khả năng chống cháy ASTM UL94 (thử nghiệm cháy thẳng đứng và cháy ngang).
    4. Mẫu kéo ASTM D638 loại IV.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ SẢN PHẨM VÀ BỘ KHUÔN HAI TẤM

Tập trung vào tính toán và xây dựng mô hình thiết kế kỹ thuật:

  • Thiết kế hình học chi tiết các thanh mẫu thử bằng Creo Parametric 8.0: Mẫu kéo loại IV theo ASTM D638 (đùn dày 3,2 mm), mẫu uốn ASTM D790 (đùn dày 4 mm), mẫu chống cháy ASTM UL94 (đùn dày 3,2 mm), mẫu va đập ASTM D256 có rãnh V và không rãnh V (đùn dày 6 mm).
  • Tính toán khối lượng chi tiết từng mẫu thử, phân tích góc thoát khuôn và thiết lập thông số co rút vật liệu nhựa.
  • Thiết kế kết cấu phân khuôn: Xác định mặt phân khuôn chính, quy trình tạo phôi khuôn, tách hai nửa khuôn dương (core) và khuôn âm (cavity).
  • Thiết kế hệ thống cấp nhựa: Lựa chọn bạc cuống phun Misumi, kênh dẫn chính và kênh dẫn phụ có tiết diện hình thang hiệu chỉnh, tính toán kích thước cổng phun dạng quạt (fan gate) nhằm tối ưu khả năng điền đầy.
  • Thiết kế hệ thống làm nguội: Bố trí các kênh nước làm mát bao quanh các hốc khuôn và đầu nối ren tiêu chuẩn Misumi.
  • Thiết kế hệ thống thoát khí tại các vùng điền đầy cuối, hệ thống đẩy sản phẩm gồm tấm đẩy, tấm giữ, ty giật đuôi keo, chốt đẩy tròn, chốt hồi và lò xo hoàn vị.

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY NHỰA

Chương 4 ghi nhận các dữ liệu mô phỏng số thông qua Moldex3D Studio 2023:

  • Các bước chuẩn bị mô hình: Nhập hình học, thiết lập thuộc tính dòng sản phẩm, kênh nhựa, hệ thống giải nhiệt, tạo Moldbase tiêu chuẩn và chia lưới phần tử hữu hạn thể tích.
  • Kết quả giai đoạn điền đầy (Filling): Thời gian điền đầy cân bằng giữa các khoang mẫu, trường áp suất phun cần thiết để thắng trở lực dòng chảy, kiểm tra trường nhiệt độ mặt trước dòng chảy nhựa lỏng.
  • Nhận diện khuyết tật: Định vị chính xác các điểm bẫy khí/rỗ khí tập trung ở phần đuôi của thanh mẫu thử để bố trí rãnh thoát khí cơ khí trên bề mặt phân khuôn.
  • Kết quả giai đoạn nén và làm mát (Packing & Cooling): Đánh giá sự phân bố nhiệt độ tiếp xúc bề mặt lòng khuôn, nhiệt độ lõi mẫu thử sau chu kỳ làm mát, thời gian làm nguội tối ưu để đạt độ đông đặc an toàn trước khi mở khuôn.
  • Đánh giá biến dạng: Phân tích độ co rút thể tích phần trăm và độ cong vênh tổng cộng (Warpage) của các thanh mẫu, đảm bảo biến dạng nằm trong giới hạn sai số cho phép của tiêu chuẩn ASTM.

CHƯƠNG 5: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CÁC TẤM KHUÔN

Nội dung chương trình bày quy trình chế tạo cơ khí hoàn chỉnh:

  • Lựa chọn vật liệu làm khuôn phù hợp cho từng tấm chi tiết chịu lực và chi tiết định hình.
  • Tính toán chế độ cắt gọt: Công thức vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt cho các nguyên công phay, khoan, khoét, doa và taro.
  • Lập phiếu công nghệ gia công chi tiết cho từng cấu kiện: Tấm kẹp trên, tấm khuôn dương, tấm khuôn âm, gối đỡ, tấm giữ, tấm đẩy, tấm kẹp dưới. Sử dụng trung tâm phay CNC MAZAK VQC – 20/50B gia công các bề mặt chính xác cao.
  • Trình tự lắp ráp bộ khuôn: Lắp chốt dẫn hướng vào khuôn âm; lắp cụm ty đẩy, chốt hồi, lò xo, tấm giữ và tấm đẩy; lắp cụm khuôn di động kết hợp với gối đỡ và tấm kẹp dưới; lắp bạc dẫn hướng, bạc cuống phun, vòng định vị vào cụm khuôn tĩnh (khuôn dương, tấm kẹp trên); đấu nối đường ống làm mát và bu lông vòng vận chuyển.
  • Thử nghiệm ép khuôn: Chuẩn bị sấy hạt nhựa PP và PE, thiết lập bảng thông số công nghệ ép (nhiệt độ các vùng nung, áp suất phun, áp suất nén, thời gian làm nguội) trên máy Toshiba ISG 150. Tiến hành ép thử và đo đạc kích thước hình học của mẫu thành phẩm.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được từ khâu lý thuyết, tính toán thiết kế, mô phỏng dòng chảy, chế tạo cơ khí cho đến thử nghiệm ép sản phẩm đạt tiêu chuẩn kỹ thuật đề ra. Đồng thời, chương đề xuất các hướng mở rộng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã giải quyết trọn vẹn quy trình công nghệ từ khâu nghiên cứu thiết kế đến chế tạo và thực nghiệm:

1. Kết quả kỹ thuật cụ thể

  • Thiết kế hoàn chỉnh mô hình 3D cho bộ 4 mẫu thử cơ tính và chống cháy theo tiêu chuẩn quốc tế trên phần mềm Creo Parametric 8.0:
    • Mẫu đo độ bền kéo theo chuẩn ASTM D638 (loại IV, chiều dày 3,2 mm).
    • Mẫu đo độ bền uốn theo chuẩn ASTM D790 (chiều dày 4 mm).
    • Mẫu đo độ dai va đập theo chuẩn ASTM D256 (bao gồm 2 dạng: Mẫu có rãnh khía V tiêu chuẩn và mẫu không rãnh, chiều dày 6 mm).
    • Mẫu đo khả năng chống cháy theo chuẩn ASTM UL94 (chiều dày 3,2 mm).
  • Hoàn thiện bộ hồ sơ bản vẽ thiết kế kết cấu khuôn hai tấm kích thước phủ bì 300 × 300 × 215 mm với hệ thống cổng rót dạng quạt, kênh dẫn hình thang cân bằng dòng, hệ thống làm mát đồng đều và cơ cấu đẩy hồi bằng lò xo.
  • Thực hiện mô phỏng CAE trên Moldex3D Studio 2023, làm rõ thời gian điền đầy, áp suất điền đầy, phân bố nhiệt độ làm nguội, các vị trí bẫy khí đuôi dòng chảy và dự báo chính xác độ cong vênh co ngót của sản phẩm.
  • Gia công chế tạo hoàn chỉnh các tấm khuôn trên máy phay CNC MAZAK VQC – 20/50B kết hợp máy công cụ vạn năng, lắp ráp hoàn thiện bộ khuôn tích hợp các phụ kiện tiêu chuẩn Misumi.
  • Thực hiện ép thử nghiệm thành công trên máy ép nhựa Toshiba ISG 150 với hai loại hạt nhựa PE và PP. Sản phẩm mẫu thu được sau khi ép đạt độ điền đầy, biên dạng sắc nét, bề mặt không bị rỗ khí hay cháy khét, đáp ứng yêu cầu hình học của tiêu chuẩn ASTM.

2. Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp một bộ khuôn thực tế phục vụ trực tiếp cho phòng thí nghiệm vật liệu và công nghệ chế tạo máy tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, giúp chủ động chế tạo mẫu thử cơ tính và chống cháy thay vì phải nhập ngoại hoặc gia công cắt gọt đơn chiếc gây sai số cấu trúc.
  • Thiết lập quy trình công nghệ khép kín từ thiết kế CAD, mô phỏng số CAE dòng chảy, chế tạo CAM/CNC đến lắp ráp và hiệu chỉnh thông số ép thực tế cho dạng khuôn nhiều lòng khuôn có chiều dày sản phẩm không đồng nhất (từ 3,2 mm đến 6 mm).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế

  • Giới hạn về vật liệu thử nghiệm: Theo thiết kế ban đầu, bộ khuôn hướng tới thử nghiệm nhiều loại nhựa kỹ thuật cao như PBT, TPU, PC bên cạnh PP. Tuy nhiên, do điều kiện cung ứng vật tư và nguyên liệu tại thời điểm thực hiện có hạn, nhóm tác giả chỉ tiến hành thực nghiệm ép thử trên hai loại nhựa thông dụng có sẵn tại xưởng là Polypropylene (PP) và Polyethylene (PE).
  • Phạm vi kiểm định thực tế: Đồ án mới hoàn thành công đoạn chế tạo khuôn và ép ra mẫu thử đạt hình học; chưa triển khai đo trực tiếp độ bền kéo, uốn, va đập và tốc độ bắt cháy của các mẫu nhựa này trên các máy đo chuyên dụng kéo-nén-uốn vạn năng và buồng thử cháy UL94.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiếp tục mở rộng thử nghiệm ép phun bộ mẫu trên các chủng loại nhựa kỹ thuật cao khác như PBT, PA, PC và nhựa đàn hồi nhiệt dẻo TPU nhằm kiểm chứng sự thích ứng của hệ thống cấp nhựa và hệ thống làm nguội với các hệ số co rút khác nhau.
  • Đưa các mẫu nhựa thu được lên các thiết bị kiểm tra cơ tính tiêu chuẩn để xác định đường cong ứng suất - biến dạng, giới hạn bền kéo, độ dai va đập Izod và cấp độ chống cháy thực tế (V-0, V-1, V-2 hoặc HB).
  • Tối ưu hóa chu kỳ ép phun và nghiên cứu nâng cao độ chính xác bề mặt lòng khuôn thông qua các phương pháp gia công tinh hoặc xử lý nhiệt luyện bề mặt.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy, Công nghệ Khuôn mẫu: Cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về kết cấu bộ khuôn ép phun hai tấm, cách thiết kế hệ thống cấp nhựa cổng quạt, tính toán bố trí đường nước làm mát và quy trình lập phiếu công nghệ gia công chi tiết khuôn trên máy CNC.
  • Sinh viên và nhà nghiên cứu ngành Công nghệ Vật liệu Polyme: Cung cấp thông số kích thước, biên dạng hình học chuẩn hóa theo ASTM (D638, D790, D256, UL94) và phương pháp tạo phôi mẫu thử bằng công nghệ ép phun giúp đảm bảo tính đồng nhất về cấu trúc tinh thể của mẫu đo.
  • Kỹ sư thiết kế và vận hành máy ép nhựa tại doanh nghiệp: Tham khảo quy trình ứng dụng phần mềm Moldex3D để dự đoán khuyết tật bẫy khí, co ngót và cách thiết lập thông số vận hành thực tế trên máy ép nhựa công nghiệp (Toshiba ISG 150).

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ khuôn chế tạo trong đồ án có khả năng tạo ra những loại mẫu thử tiêu chuẩn nào?
Bộ khuôn được thiết kế dạng khuôn gia đình (family mold) tích hợp đồng thời 4 loại mẫu thử trên cùng một chu kỳ ép: Mẫu đo độ bền kéo theo ASTM D638 (loại IV), mẫu đo độ bền uốn theo ASTM D790, mẫu đo độ dai va đập theo ASTM D256 (gồm 2 loại: Mẫu có rãnh V và mẫu không rãnh) và mẫu đo khả năng chống cháy theo ASTM UL94.

2. Kích thước bao ngoài của bộ khuôn là bao nhiêu và được chế tạo bằng những thiết bị nào?
Kích thước tổng thể phủ bì của bộ khuôn là 300 mm (chiều dài) × 300 mm (chiều rộng) × 215 mm (chiều cao). Các chi tiết tấm khuôn được gia công trên trung tâm phay CNC MAZAK VQC – 20/50B kết hợp các máy công cụ gia công cơ truyền thống, sử dụng các linh kiện tiêu chuẩn của hãng Misumi (bạc cuống phun, chốt đẩy, chốt hồi, lò xo, bạc và chốt dẫn hướng).

3. Phần mềm nào được sử dụng để thiết kế và mô phỏng dòng chảy nhựa trong đồ án?
Nhóm tác giả sử dụng phần mềm Creo Parametric 8.0 để dựng mô hình hình học 3D của các mẫu thử, phân tích góc thoát khuôn, tạo phôi và tách các tấm khuôn. Phần mềm Moldex3D Studio 2023 được ứng dụng để mô phỏng số CAE quá trình điền đầy (Filling), nén duy trì (Packing), làm nguội (Cooling) và đánh giá độ cong vênh (Warpage).

4. Tại sao nhóm tác giả lại sử dụng hạt nhựa PP và PE để ép thử nghiệm thay vì các loại nhựa như thiết kế ban đầu?
Trong thuyết minh thiết kế ban đầu, nhóm tác giả khảo sát các dòng nhựa kỹ thuật như PBT, TPU, PP. Tuy nhiên, do điều kiện thực tế tại xưởng ép không thể chuẩn bị đầy đủ các dòng nhựa kỹ thuật đặc thù, nhóm đã sử dụng hai loại nhựa nhiệt dẻo có sẵn tại xưởng là Polypropylene (PP) và Polyethylene (PE) để tiến hành ép thử nghiệm kiểm tra khả năng làm việc của bộ khuôn.

5. Thử nghiệm ép thực tế được tiến hành trên thiết bị máy ép phun nào?
Quá trình ép thử nghiệm khuôn và sản xuất các mẫu thử nghiệm ASTM được tiến hành trên máy ép phun nhựa công nghiệp Toshiba ISG 150 với sự hỗ trợ của Công ty TNHH Sản Xuất Thương Mại Dịch Vụ SPKT.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ khuôn phun ép cho bộ mẫu đo cơ tính và khả năng chống cháy của vật liệu nhựa theo tiêu chuẩn ASTM" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra từ nghiên cứu lý thuyết, thiết kế 3D, mô phỏng số dòng chảy đến chế tạo cơ khí chính xác. Bộ khuôn hai tấm kích thước 300 × 300 × 215 mm đã được gia công hoàn thiện trên máy CNC MAZAK VQC – 20/50B và lắp ráp chuẩn xác với phụ kiện Misumi. Kết quả thử nghiệm ép thực tế trên máy Toshiba ISG 150 với hạt nhựa PE và PP đã tạo ra các mẫu thử đạt độ điền đầy, thẩm mỹ bề mặt tốt và đúng các thông số kích thước theo tiêu chuẩn ASTM D638, D790, D256 và UL94, phục vụ hiệu quả cho công tác nghiên cứu và kiểm định vật liệu polyme.