Giới thiệu dự án

Ngành công nghiệp chế biến nhựa tại Việt Nam và khu vực Đông Nam Á đang duy trì tốc độ tăng trưởng ấn tượng từ 10% đến 12%/năm, đóng vai trò nền tảng cho chuỗi cung ứng linh kiện phụ trợ ô tô, điện - điện tử, thiết bị y tế và bao bì kỹ thuật cao. Để thương mại hóa các sản phẩm polymer và composite kỹ thuật ra thị trường quốc tế, yêu cầu bắt buộc là các đặc tính cơ lý và an toàn cháy nổ phải được kiểm chuẩn theo hệ thống tiêu chuẩn toàn cầu, tiêu biểu là tiêu chuẩn của Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (ASTM - American Society for Testing and Materials).

Tuy nhiên, các phòng thí nghiệm R&D và doanh nghiệp sản xuất trong nước hiện gặp rào cản lớn: chi phí nhập khẩu các bộ khuôn ép mẫu chuẩn rất đắt đỏ, trong khi việc gia công mẫu thử đơn lẻ bằng phương pháp cắt gọt cơ khí (phay CNC, cắt laser/tia nước) từ tấm phôi nhựa làm phá vỡ định hướng dòng chảy phân tử polymer, gây tập trung ứng suất dư và sai lệch kết quả đo kiểm cơ tính. Việc sử dụng các bộ khuôn đơn lẻ cho từng chỉ tiêu thí nghiệm làm đội chi phí đầu tư khuôn mẫu lên gấp nhiều lần và kéo dài chu kỳ chuẩn bị mẫu.

Đề tài 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" (Mã số đề tài: CKM-56) do nhóm tác giả Lê Minh Nhật, Nguyễn Anh Dũng, Nguyễn Trần Quang Trường thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Văn Trọn tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã giải quyết triệt để bài toán này.

                  +-------------------------------------------------------------+
                  |  MỤC TIÊU DỰ ÁN: TÍCH HỢP 4 BỘ MẪU TRONG 1 BỘ KHUÔN 2 TẤM  |
                  +-------------------------------------------------------------+
                                                 |
         +--------------------+------------------+------------------+--------------------+
         |                    |                                     |                    |
         v                    v                                     v                    v
  [ ASTM D638 Type IV ]  [ ASTM D790 ]                       [ ASTM D256 ]         [ ASTM UL94 ]
    Thử nghiệm độ kéo     Thử nghiệm độ uốn                   Thử nghiệm va đập     Thử khả năng
     (Tensile Test)        (Flexural Test)                     (Izod Impact)        chống cháy

Mục tiêu kỹ thuật của dự án

  1. Thiết kế 3D tối ưu hóa: Xây dựng mô hình 3D cho tổ hợp 4 loại mẫu thử tiêu chuẩn trên phần mềm CAD Creo Parametric 8.0:
    • Mẫu đo độ bền kéo theo chuẩn ASTM D638 (Type IV).
    • Mẫu đo độ bền uốn theo chuẩn ASTM D790 ($127 \times 12.7 \times 4.0\text{ mm}$).
    • Mẫu đo độ dai va đập Izod theo chuẩn ASTM D256 (tích hợp cả 2 trạng thái: có rãnh chữ V và không có rãnh, $63.5 \times 12.7 \times 6.0\text{ mm}$).
    • Mẫu đo khả năng chống cháy theo chuẩn ASTM UL94 ($127 \times 12.7 \times 3.2\text{ mm}$).
  2. Mô phỏng CAE dòng chảy nhựa: Ứng dụng Moldex3D Studio 2023 phân tích điền đầy (Filling), ép nén (Packing), làm nguội (Cooling) và độ cong vênh biến dạng (Warpage).
  3. Gia công chế tạo cơ khí chính xác: Lập quy trình công nghệ gia công CNC trên máy phay Mazak VQC-20/50B, định hình bộ khuôn 2 tấm chuẩn kích thước bao $300 \times 300 \times 215\text{ mm}$.
  4. Lắp ráp và thực nghiệm ép phun: Lắp ráp hoàn chỉnh các cụm dẫn hướng, hệ thống lói đẩy Misumi, hệ thống đường nước làm mát và thực nghiệm ép thử nghiệm với nhựa Polypropylene (PP) và Polyethylene (PE) trên máy ép nhựa công nghiệp Toshiba ISG 150.

Phạm vi và giới hạn

  • Phạm vi kết cấu: Kết cấu khuôn 2 tấm (Two-plate mold) sử dụng kênh dẫn nguội (Cold runner), miệng phun dạng quạt (Fan gate) và miệng phun mép (Edge gate) hiệu chỉnh nhằm đảm bảo điền đầy đồng đều.
  • Phạm vi vật liệu khảo sát: Tính toán hệ số co rút cho các loại nhựa nhiệt dẻo phổ thông và kỹ thuật (PE, PP, PC, PBT, TPU, PA), thực nghiệm dập mẫu trên nhựa PE và PP nguyên sinh.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí so sánh Cắt gọt cơ khí từ tấm phôi Khuôn đơn lẻ từng mẫu (Nhập khẩu) Giải pháp khuôn tích hợp ASTM (Đề tài)
Tính nguyên vẹn của dòng chảy phân tử Kém (phá hủy chuỗi liên kết bề mặt, xuất hiện vi nứt) Tốt (định hướng dòng chảy tự nhiên) Tối ưu (định hướng dòng chảy đồng nhất)
Chi phí đầu tư bộ khuôn Thấp (chỉ cần dao cụ cắt gọt) Rất cao (4 bộ khuôn độc lập: 120 - 180 triệu VNĐ) Tối ưu (1 bộ khuôn đa năng: ~35 triệu VNĐ, tiết kiệm 70%)
Năng suất tạo mẫu thí nghiệm Rất chậm (5 - 10 phút/mẫu) Trung bình (1 loại mẫu/chu kỳ ép) Rất cao (1 chu kỳ ép tạo đủ 4 loại mẫu đo trong 32 giây)
Độ chính xác kích thước ASTM Khó kiểm soát dung sai độ dày Đạt chuẩn dung sai ($\pm 0.05\text{ mm}$) Đạt chuẩn dung sai quốc tế ($\pm 0.02 - \pm 0.05\text{ mm}$)

Phân loại yêu cầu theo mô hình MoSCoW

  • Must Have (Bắt buộc): Lòng khuôn chuẩn xác tuyệt đối theo kích thước ASTM D638, D790, D256, UL94; hệ thống lói đẩy không làm biến dạng mẫu; không bị lỗi cong vênh (warpage) hay rỗ khí (air trap) tại vị trí chịu lực chính.
  • Should Have (Nên có): Hệ thống làm mát tuần hoàn đồng đều, độ chênh lệch nhiệt độ giữa 2 nửa khuôn $\le 5^\circ\text{C}$; miệng phun dễ dàng cắt bavia.
  • Could Have (Có thể mở rộng): Tích hợp cảm biến áp suất lòng khuôn Cavity Pressure Sensor.
  • Won't Have (Chưa thực hiện ở giai đoạn này): Hệ thống gia nhiệt Hot Runner đa điểm điều khiển điện tử độc lập.

Thiết kế hệ thống

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                     SƠ ĐỒ CẤU TRÚC BỘ KHUÔN ÉP PHUN 2 TẤM                         |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                                                                                   |
|  [Tấm Kẹp Trên - S50C] ---> Vòng Định Vị & Bạc Cuống Phun (Misumi)                |
|           |                                                                       |
|  [Tấm Khuôn Âm / Cavity Plate - P20] ---> Kênh dẫn nhựa hình thang & Miệng phun quạt|
|===========|=======================================================================|
|     MẶT PHÂN KHUÔN (PL)                                                           |
|===========|=======================================================================|
|  [Tấm Khuôn Dương / Core Plate - P20] ---> Lòng khuôn định hình 4 loại mẫu thử    |
|           |                                                                       |
|  [Hệ Thống Làm Nguội] ---> Kênh dẫn $\phi 8\text{ mm}$ tuần hoàn đối xứng         |
|           |                                                                       |
|  [Gối Đỡ / Spacer Blocks] ---> Khoang hành trình đẩy                              |
|           |                                                                       |
|  [Cụm Tấm Đẩy & Tấm Giữ] ---> Ty đẩy lói sản phẩm + Ty giật cuống Z-pin (SKD61)   |
|           |                                                                       |
|  [Tấm Kẹp Dưới - S50C] ---> Lắp chặt bàn máy ép di động                           |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Technology Stack và Thông số Kỹ thuật

  • Phần mềm thiết kế CAD: Creo Parametric 8.0 (Xây dựng hình học Parametric, tách mặt phân khuôn Parting Surface).
  • Phần mềm mô phỏng CAE: Moldex3D Studio 2023 (Mesh eDesign & Solid 3D, solver Navier-Stokes dòng chảy nhớt phi Newton).
  • Phần mềm lập trình CAM: Mastercam 2022.
  • Thiết bị gia công CNC: Trung tâm gia công đứng Mazak VQC-20/50B (Hệ điều khiển Mazatrol/Fanuc).
  • Thiết bị phun ép thực nghiệm: Máy ép nhựa trục vít thủy lực Toshiba ISG 150 (Lực kẹp khuôn 150 tấn).
  • Tiêu chuẩn linh kiện khuôn: Misumi Standard Components (Chốt dẫn hướng, bạc dẫn hướng có vai, lò xo khuôn SWF, ty đẩy SKD61).

Lựa chọn vật liệu làm khuôn

  • Tấm khuôn âm (Cavity plate) và Tấm khuôn dương (Core plate): Thép hợp kim làm khuôn P20/2311 độ cứng 28 - 32 HRC, chống mài mòn, chịu áp suất nén lớn ($> 100\text{ MPa}$).
  • Tấm kẹp trên, tấm kẹp dưới, gối đỡ, tấm đẩy, tấm giữ: Thép kết cấu carbon trung bình S50C/S55C có độ bền cơ học cao, hạn chế biến dạng uốn.
  • Chốt đẩy, chốt hồi, bạc cuống phun: Thép SKD61 tôi cứng $50 - 55\text{ HRC}$ bề mặt nitrit hóa chống mài mòn ma sát.

Methodology

Dự án áp dụng quy trình phát triển kỹ thuật cơ khí đồng thời (Concurrent Engineering) kết hợp tối ưu hóa vòng lặp mô phỏng CAE trước khi cắt gọt kim loại:

[Thiết kế CAD Bộ Mẫu] ---> [Thiết kế Sơ bộ Khuôn] ---> [Mô phỏng Moldex3D]
                                                                |
           +----------------- Tối ưu Runner/Cooling <-----------+ (Nếu phát hiện lỗi)
           v
[Thiết kế CAD Hoàn Thiện] ---> [Lập Trình CAM] ---> [Gia công CNC Mazak] ---> [Lắp Ráp & Ép Thử]

Bảng đánh giá rủi ro và giải pháp khắc phục

Rủi ro kỹ thuật Mức độ Biện pháp phòng ngừa và xử lý
Mất cân bằng điền đầy (Unbalanced filling) Cao Thiết kế kênh dẫn nhựa dạng nhánh đối xứng hình thang hiệu chỉnh; tính toán tiết diện dòng chảy giảm dần theo từng phân nhánh.
Co ngót không đều gây cong vênh mẫu đo Rất cao Bố trí đường nước làm mát tuần hoàn chạy song song cách lòng khuôn $15\text{ mm}$; kiểm soát thời gian Packing trên Moldex3D.
Bavia (Flash) tại mặt phân khuôn Trung bình Mài phẳng tinh mặt phân khuôn đạt độ nhám $Ra \le 0.4\mu\text{m}$, kiểm soát lực kẹp máy Toshiba ISG 150 ở mức 65 - 75% tải định mức.
Dính mẫu khi mở khuôn Trung bình Tạo góc thoát khuôn (Draft angle) $0.5^\circ - 1.0^\circ$ trên các thành bên theo đúng dung sai cho phép của ASTM.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình tính toán chế độ cắt khi phay CNC các tấm khuôn P20 và S50C tuân thủ các công thức động học cắt gọt tiêu chuẩn:

Tốc độ quay trục chính ($n$): $$n = \frac{1000 \cdot V_c}{\pi \cdot D}\quad (\text{vòng/phút})$$

Tốc độ tiến dao bàn máy ($V_f$): $$V_f = f_z \cdot z \cdot n\quad (\text{mm/phút})$$

Trong đó: $V_c$ là vận tốc cắt ($60 - 120\text{ m/phút}$ tùy nguyên công), $D$ là đường kính dao phay ($\text{mm}$), $f_z$ là lượng tiến dao trên mỗi răng ($0.05 - 0.15\text{ mm/răng}$), $z$ là số răng cắt.

Đoạn trích xuất chương trình gia công CNC G-code (Milling Cavity Core trên Mazak)

(PROGRAM NAME: CAVITY_ASTM_SEMI_FINISH)
(TOOL: ENDMILL FLAT D10 R0 CR=0 CARBIDE 4-FLUTE)
G21 G90 G40 G80 G49
G28 G91 Z0.
T01 M06
S3200 M03
G54 G90 G00 X-45.5 Y-12.7
G43 H01 Z5.0 M08
Z1.0
G01 Z-0.5 F300
G01 X-45.5 Y12.7 F650
G02 X-40.5 Y17.7 I5.0 J0.0
G01 X40.5 Y17.7
G02 X45.5 Y12.7 I0.0 J-5.0
G01 X45.5 Y-12.7
G02 X40.5 Y-17.7 I-5.0 J0.0
G01 X-40.5 Y-17.7
G02 X-45.5 Y-12.7 I0.0 J5.0
G00 Z5.0
G00 X0. Y0.
(POCKET FINISHING FOR D256 NOTCH INSERT)
G01 Z-2.0 F200
G01 X5.0 Y0. F500
G03 I-5.0 J0.0
G00 Z10.0 M09
G28 G91 Z0. M05
M30

Thiết lập thông số mô phỏng Moldex3D Studio 2023

{
  "simulation_project": "MOLD_ASTM_4_SPECIMENS",
  "solver_version": "Moldex3D Studio 2023 R2",
  "resin_material": {
    "trade_name": "Globalene ST868M (PP) / HD5502S (PE)",
    "melt_temperature_range_C": [190, 230],
    "mold_temperature_range_C": [35, 55]
  },
  "process_parameters": {
    "filling_time_s": 1.25,
    "max_injection_pressure_MPa": 85.0,
    "packing_pressure_ratio_pct": 70.0,
    "packing_time_s": 6.5,
    "cooling_time_s": 14.0,
    "mold_open_time_s": 3.0,
    "total_cycle_time_s": 24.75
  }
}

Testing và validation

Quá trình mô phỏng trên phần mềm Moldex3D và thực nghiệm ép phun trên máy Toshiba ISG 150 thu được các kết quả định lượng:

  1. Phân tích điền đầy (Filling Analysis): Dòng nhựa phân nhánh đồng đều từ cuống phun trung tâm qua hệ thống kênh dẫn hình thang hiệu chỉnh ($B_{\text{đáy}}=6\text{ mm}, B_{\text{đỉnh}}=8\text{ mm}, H=6\text{ mm}$), thời gian điền đầy toàn bộ 4 lòng khuôn là $1.18\text{ giây}$ mà không xảy ra hiện tượng đoản dòng (Short shot).
  2. Phân tích bẫy khí (Air Trap) và vết hàn (Weld Line): Các điểm bẫy khí được ép dồn hoàn toàn về đuôi lòng khuôn - nơi bố trí các rãnh thoát khí (Venting slot) sâu $0.02\text{ mm}$, rộng $5\text{ mm}$, loại bỏ 100% nguy cơ cháy cục bộ hoặc xốp khí bên trong vùng kéo của mẫu ASTM D638.
  3. Phân tích làm nguội & độ cong vênh (Cooling & Warpage): Nhiệt độ bề mặt khuôn phân bổ dao động từ $38^\circ\text{C}$ đến $43^\circ\text{C}$. Độ cong vênh tổng thể (Total Displacement) lớn nhất chỉ đạt $0.182\text{ mm}$ (nằm trong giới hạn cho phép $\le 0.30\text{ mm}$ của tiêu chuẩn ASTM).
                      BIỂU ĐỒ ĐIỀN ĐẦY & PHÂN BỐ ÁP SUẤT PHUN
  Áp suất (MPa)
   90 |           /---\ (Max Áp Suất Phun: 58.4 MPa)
   60 |          /     \___________________ (Áp suất định hình Packing: 42 MPa)
   30 |         /
    0 +--------+--------+------------------+--------> Thời gian (s)
      0       1.18s   7.68s              21.68s   (Chu kỳ hoàn tất: ~25s)
            [Filling] [Packing/Holding]  [Cooling]

Kết quả đạt được

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo hoàn chỉnh bộ khuôn 2 tấm, lắp ráp chính xác và tiến hành dập mẫu thực nghiệm thành công tại xưởng công nghệ với 2 dòng hạt nhựa Polypropylene (PP) và High-Density Polyethylene (HDPE).

Bảng so sánh kích thước thiết kế CAD và kích thước mẫu ép thực tế

Loại mẫu thử nghiệm Thông số đo kiểm Kích thước thiết kế CAD (mm) Thực tế ép nhựa PE (mm) Thực tế ép nhựa PP (mm) Dung sai tiêu chuẩn ASTM Đánh giá
Kéo ASTM D638 (Type IV) Chiều dài tổng thể 115.00 114.82 114.75 $\pm 0.50$ Đạt
Chiều rộng vùng thắt 6.00 5.98 5.97 $\pm 0.05$ Đạt tuyệt đối
Chiều dày mẫu 3.20 3.19 3.18 $\pm 0.10$ Đạt tuyệt đối
Uốn ASTM D790 Chiều dài 127.00 126.80 126.72 $\pm 0.50$ Đạt
Chiều rộng 12.70 12.68 12.66 $\pm 0.10$ Đạt
Chiều dày 4.00 3.98 3.97 $\pm 0.10$ Đạt
Va đập ASTM D256 Chiều dài 63.50 63.38 63.32 $\pm 0.50$ Đạt
Bề rộng 12.70 12.67 12.65 $\pm 0.10$ Đạt
Bề dày 6.00 5.97 5.96 $\pm 0.15$ Đạt
Chống cháy ASTM UL94 Chiều dài 127.00 126.85 126.78 $\pm 0.50$ Đạt
Chiều rộng 12.70 12.68 12.67 $\pm 0.10$ Đạt
Chiều dày 3.20 3.18 3.17 $\pm 0.10$ Đạt

Nhận xét: Sai số kích thước của toàn bộ các mẫu ép thử nghiệm đều nằm gọn trong dải dung sai cho phép của các tiêu chuẩn ASTM tương ứng. Bề mặt sản phẩm bóng láng, đồng nhất, không xuất hiện khuyết tật bavia, cháy mép hay lõm co ngót (sink mark).

Đổi mới và đóng góp

  1. Đột phá về mặt bố trí lòng khuôn (Layout Integration): Thiết kế thành công cụm lòng khuôn tích hợp 4 trong 1 trên một bộ vỏ khuôn tiêu chuẩn $300 \times 300\text{ mm}$, sử dụng kênh dẫn đối xứng kết hợp miệng phun quạt giúp phân bố áp suất đồng đều giữa các chi tiết có độ dày thành khác nhau ($3.2\text{ mm}$, $4.0\text{ mm}$ và $6.0\text{ mm}$).
  2. Nâng cao hiệu suất nghiên cứu khoa học: Giảm thời gian chuẩn bị bộ mẫu đo cho một mẻ thử nghiệm vật liệu mới từ 2 ngày (gia công cơ khí) xuống còn 32 giây (một chu kỳ ép phun).
  3. Tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị: Giảm hơn 70% chi phí chế tạo khuôn so với việc đầu tư 4 bộ khuôn chuyên dụng nhập khẩu riêng biệt.
  4. Đóng góp học thuật và đào tạo: Hoàn thiện bộ cơ sở dữ liệu về quy trình công nghệ CAD/CAE/CAM/CNC chuẩn cho các khóa đào tạo chuyên sâu ngành Kỹ thuật Khuôn mẫu và Công nghệ Chế tạo máy tại HCMUTE.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng trong thực tế

  • Phòng thí nghiệm kiểm định vật liệu Polymer tại các trường đại học/viện nghiên cứu: Đáp ứng nhu cầu dập mẫu nhanh cho các đề tài nghiên cứu về hạt nhựa compound tăng cường sợi thủy tinh, sợi tự nhiên, phụ gia chống cháy ATH/MPP.
  • Nhà máy sản xuất hạt nhựa tái sinh và compound hạt màu: Kiểm tra cơ tính nguyên liệu đầu vào theo từng lô hàng trước khi đưa vào dây chuyền ép sản phẩm công nghiệp.
  • Trung tâm đo lường chất lượng (Quatest, SGS, Intertek): Dùng làm khuôn mẫu chuẩn để gia công mẫu thử phục vụ cấp chứng chỉ chất lượng sản phẩm xuất khẩu.

Phân tích chi phí và hiệu quả đầu tư (Cost-Benefit Analysis)

Hạng mục chi phí Phương án truyền thống (Mua 4 bộ khuôn riêng) Phương án giải pháp đồ án (Khuôn tích hợp 4-in-1) Chênh lệch tiết kiệm
Chi phí phôi thép & phụ kiện tiêu chuẩn 60.000.000 VNĐ 18.500.000 VNĐ - 41.500.000 VNĐ
Chi phí gia công CNC & nhiệt luyện 80.000.000 VNĐ 16.500.000 VNĐ - 63.500.000 VNĐ
Thời gian gá đặt thay khuôn trên máy 120 phút (4 lần gá đặt) 25 phút (1 lần gá duy nhất) Tiết kiệm 80% thời gian setup
Tổng chi phí chế tạo 140.000.000 VNĐ 35.000.000 VNĐ Tiết kiệm 75.0% ngân sách

Thời gian hoàn vốn (ROI): Ước tính trong vòng 3 - 6 tháng vận hành tại các trung tâm R&D thông qua việc tiết kiệm thời gian vận hành máy và điện năng tiêu thụ.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Do điều kiện vật tư tại xưởng thực nghiệm ở thời điểm bàn giao, đồ án mới chỉ thực hiện ép thử nghiệm trên 2 nhóm nhựa nhiệt dẻo thông dụng là PE và PP; chưa tiến hành dập mẫu trên các dòng nhựa kỹ thuật cao cấp có nhiệt độ gia công lớn như PBT chống cháy, PC hay TPU.
  • Rãnh chữ V của mẫu va đập ASTM D256 được định hình trực tiếp trên khuôn; khi muốn thay đổi bán kính đáy góc lượn rãnh khía $R=0.25\text{ mm}$ cần phải thay insert lòng khuôn rời.

Hướng phát triển đề tài

  1. Chế tạo cụm Insert tháo lắp nhanh (Modular Quick-change Inserts): Cho phép hoán đổi nhanh giữa mẫu kéo ASTM D638 Type I, Type IV và Type V mà không cần hạ bộ khuôn xuống khỏi máy ép.
  2. Nâng cấp hệ thống làm mát Conformal Cooling: Ứng dụng công nghệ in 3D kim loại SLM để tạo đường làm mát biên dạng xoắn ốc theo sát lòng khuôn, rút ngắn chu kỳ làm nguội thêm 25 - 30%.
  3. Thực nghiệm chuyên sâu trên vật liệu Composite: Khảo sát sự định hướng sợi thủy tinh (Fiber Orientation) của hỗn hợp PA66/PP hoặc PBT/HDPE để đánh giá độ chính xác tương quan giữa mô phỏng Moldex3D và kết quả kéo nén thực tế trên máy thử nghiệm vạn năng Instron.

Đối tượng hưởng lợi

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                           ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI TRỰC TIẾP                           |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                                                                                   |
|  [Sinh Viên & Giảng Viên] --------> Nguồn học liệu trực quan, thực hành công nghệ  |
|                                     CAD/CAM/CAE và kiểm chuẩn vật liệu thực tế    |
|                                                                                   |
|  [Kỹ Sư Thiết Kế & Chế Tạo Khuôn] -> Dữ liệu chuẩn về bố trí kênh dẫn, miệng phun |
|                                     và bù trừ hệ số co ngót nhựa nhiệt dẻo        |
|                                                                                   |
|  [Doanh Nghiệp R&D Nhựa Polymer] -> Rút ngắn 75% chi phí và 80% thời gian tạo mẫu |
|                                     phục vụ kiểm định chuẩn ASTM xuất khẩu         |
|                                                                                   |
|  [Các Viện & Trung Tâm Kiểm Định] -> Chuẩn hóa quy trình tạo mẫu cơ tính đồng nhất|
+-----------------------------------------------------------------------------------+
  • Sinh viên, học viên cao học ngành Cơ khí Chế tạo máy / Vật liệu: Tiếp cận bộ tài liệu thiết kế bài bản từ lý thuyết tính toán, mô phỏng dòng chảy nhớt đến quy trình vận hành máy phay CNC và máy ép nhựa.
  • Kỹ sư R&D tại các công ty sản xuất hạt nhựa: Ứng dụng quy trình công nghệ để tự chế tạo các bộ khuôn test mẫu tiêu chuẩn trong nội bộ công ty với chi phí rẻ.
  • Doanh nghiệp gia công khuôn mẫu phụ trợ: Nâng cao năng lực cạnh tranh trong phân khúc khuôn thí nghiệm kỹ thuật cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu của máy ép nhựa để lắp đặt bộ khuôn này là gì?

Máy ép nhựa cần có lực kẹp khuôn tối thiểu 80 tấn (khuyến nghị $100 - 150\text{ tấn}$ như máy Toshiba ISG 150), khoảng cách giữa 4 thanh giằng dẫn hướng (tie-bar clearance) tối thiểu lớn hơn $350 \times 350\text{ mm}$, hành trình mở khuôn $\ge 250\text{ mm}$ và đường kính vòng định vị trên tấm cố định là $\phi 100\text{ mm}$ (hoặc $\phi 120\text{ mm}$ tùy chọn bạc đệm).

2. Làm thế nào để kiểm soát hiện tượng co ngót chênh lệch giữa các mẫu có bề dày khác nhau?

Để kiểm soát co ngót khi các mẫu có chiều dày khác nhau ($3.2\text{ mm}$, $4.0\text{ mm}$, $6.0\text{ mm}$), hệ thống đã sử dụng kênh dẫn dạng bậc giảm áp và miệng phun quạt (Fan gate) có tiết diện mở rộng dần tại mẫu dày $6.0\text{ mm}$. Đồng thời cài đặt giai đoạn nén duy trì áp suất (Holding stage) nhiều cấp trên máy ép để bù thể tích co ngót hiệu quả.

3. Bộ khuôn có thể ép được các loại nhựa kỹ thuật cao cấp như PC, PBT chống cháy hay không?

Hoàn toàn có thể. Vật liệu lõi khuôn làm bằng thép hợp kim P20/2311 có khả năng chịu nhiệt và áp suất tốt. Khi chuyển sang ép nhựa PC hoặc PBT, chỉ cần kết nối hệ thống gia nhiệt khuôn bằng dầu (Mold Temperature Controller) duy trì nhiệt độ vách khuôn ở mức $80 - 120^\circ\text{C}$ và tăng áp suất phun phù hợp.

4. Quy trình bảo trì, bảo dưỡng định kỳ cho bộ khuôn được thực hiện như thế nào?

Sau mỗi đợt ép thử nghiệm (khoảng 500 - 1.000 chu kỳ), cần vệ sinh sạch sẽ mặt phân khuôn bằng dung dịch tẩy rửa cặn nhựa, xịt dầu chống rỉ sét chuyên dụng, kiểm tra bôi trơn mỡ chịu nhiệt cho các chốt dẫn hướng, chốt đẩy SKD61 và thông rửa cặn canxi trong các đường ống nước làm mát $\phi 8\text{ mm}$.

5. Chi phí sản xuất và thời gian thu hồi vốn của dự án như thế nào?

Tổng chi phí chế tạo hoàn thiện bộ khuôn tích hợp là khoảng 35.000.000 VNĐ (bao gồm vật liệu thép, linh kiện Misumi tiêu chuẩn và chi phí gia công CNC). So với việc đầu tư 4 bộ khuôn đơn lẻ (ước tính 140.000.000 VNĐ), doanh nghiệp tiết kiệm ngay 105.000.000 VNĐ chi phí vốn ban đầu, thời gian hoàn vốn dưới 6 tháng.

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 là một công trình nghiên cứu ứng dụng có giá trị thực tiễn và hàm lượng khoa học cao. Bằng việc kết hợp chặt chẽ chuỗi công nghệ tiên tiến CAD (Creo 8.0) – CAE (Moldex3D 2023) – CAM/CNC (Mazak VQC-20/50B) – Thực nghiệm (Toshiba ISG 150), đề tài đã giải quyết xuất sắc bài toán tối ưu hóa chi phí và nâng cao độ chính xác trong công tác kiểm chuẩn vật liệu polymer.

Sản phẩm khuôn ép 2 tấm hoàn chỉnh cùng các mẫu đo đạt chuẩn ASTM D638, ASTM D790, ASTM D256 và ASTM UL94 không chỉ phục vụ đắc lực cho công tác nghiên cứu khoa học, đào tạo chuyên sâu tại nhà trường mà còn mở ra tiềm năng thương mại hóa rộng lớn cho ngành công nghiệp phụ trợ khuôn mẫu và sản xuất vật liệu nhựa kỹ thuật cao tại Việt Nam.