Đồ án thiết kế và chế tạo khuôn phun ép sản phẩm móc nhựa dán tường - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Đồ án thiết kế và chế tạo khuôn phun ép sản phẩm móc nhựa dán tường bằng Moldex 3D và Creo Parametric tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

• Tác giả: Trần Quang Thảo
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Thức
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
• Đề tài: Thiết kế và chế tạo khuôn phun ép sản phẩm móc nhựa dán tường
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan đề tài khuôn ép móc nhựa dán tường ĐH SPKT TP

Đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ ép phun nhựa. Đề tài do nhóm sinh viên Khoa Cơ khí Chế tạo máy thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Thức. Mục tiêu cốt lõi là làm chủ quy trình thiết kế và gia công bộ khuôn hoàn chỉnh cho sản phẩm móc nhựa dán tường gia dụng. Sản phẩm móc treo tường đòi hỏi độ bền cơ học cao và tính thẩm mỹ bề mặt. Vật liệu nhựa nhiệt dẻo Polypropylene (PP) được lựa chọn làm nguyên liệu đúc chính. Nhựa PP sở hữu tính dẻo dai cao, trọng lượng nhẹ và khả năng kháng hóa chất vượt trội. Khả năng tái sinh của vật liệu cũng giúp hạ giá thành và bảo vệ môi trường. Đề tài kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết cơ học và thực nghiệm công nghiệp. Quy trình nghiên cứu bao gồm thiết kế mẫu 3D, mô phỏng biến dạng dòng chảy và lập quy trình gia công cơ khí. Toàn bộ thông số ép phun được kiểm soát chặt chẽ nhằm tối ưu hóa chu kỳ sản xuất. Dự án khẳng định năng lực ứng dụng công nghệ khuôn mẫu tiên tiến của sinh viên kỹ thuật.

1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu khuôn móc nhựa

Nghiên cứu hướng tới việc hoàn thiện kết cấu khuôn ép phun đa lòng cho sản phẩm móc nhựa dán tường. Phạm vi đề tài bao gồm tính toán thông số động học của máy ép, xây dựng mô hình lòng khuôn và lõi khuôn. Các tiêu chuẩn linh kiện khuôn được tra cứu trực tiếp từ danh mục cơ khí Misumi tiêu chuẩn quốc tế. Nhóm nghiên cứu khảo sát chi tiết áp suất phun, nhiệt độ nóng chảy và thời gian giữ áp suất. Việc kiểm soát này giúp sản phẩm không bị bọt khí hay biến dạng sau khi đẩy ra khỏi khuôn. Kết quả nghiên cứu cung cấp bộ tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh cho dây chuyền sản xuất hàng loạt.

1.2. Đặc tính cơ lý của vật liệu nhựa PP được ứng dụng

Nhựa Polypropylene đóng vai trò quyết định đến độ bền tải trọng của móc dán tường. Vật liệu này có mật độ phân tử thấp, giúp giảm khối lượng chi tiết cơ khí. Độ bền mỏi uốn cao cho phép móc treo chịu tải kéo liên tục mà không nứt gãy. Nhựa PP nóng chảy trong dải nhiệt độ từ 160 đến 220 độ C, phù hợp công nghệ ép phun phổ thông. Dòng nhựa có độ nhớt ổn định, điền đầy tốt vào các khe hẹp của lòng khuôn phức tạp. Bề mặt sản phẩm hoàn thiện có độ bóng mịn tự nhiên và bám dính keo tốt. Đây là lựa chọn tối ưu về mặt kinh tế lẫn kỹ thuật sản xuất.

II. Phân tích kỹ thuật khuôn ép móc nhựa dán tường ĐH SPKT TP

Quá trình đúc ép chi tiết nhựa luôn đối mặt với nhiều hiện tượng khuyết tật phức tạp. Chi tiết móc dán tường có cấu trúc gồm móc gài và mấu gài với độ dày thành không đồng đều. Hiện tượng co ngót không đồng đều dễ làm sản phẩm cong vênh và giảm độ chính xác hình học. Vết lõm bề mặt thường xuất hiện tại các vị trí gân chịu lực và vị trí giao nhau giữa các thành vách. Nhiệt độ nhựa lỏng đưa vào lòng khuôn dao động từ 150°C đến 300°C. Một lượng nhiệt cực lớn truyền trực tiếp vào vỏ khuôn kim loại trong mỗi chu kỳ ép. Nếu nhiệt lượng không được giải phóng kịp thời, nhiệt độ khuôn sẽ tăng liên tục không thể kiểm soát. Thời gian làm mát khuôn thông thường chiếm tới 60% tổng thời gian một chu kỳ đúc. Sự thiếu hụt giải nhiệt gây biến dạng nghiêm trọng cho chi tiết khi vừa đẩy khỏi lòng khuôn. Năng suất đúc ép giảm sút và tỷ lệ phế phẩm tăng vọt. Vấn đề kẹt sản phẩm trong khuôn cũng thường xuyên xảy ra do tính toán góc thoát khuôn chưa chuẩn xác. Việc giải quyết các trở ngại kỹ thuật này đòi hỏi giải pháp phân tích dòng chảy chuyên sâu.

2.1. Thách thức kiểm soát nhiệt độ và chu kỳ làm mát

Hệ thống làm mát đóng vai trò nòng cốt trong việc chuyển đổi nhựa lỏng sang trạng thái rắn. Khi chu kỳ ép lặp lại liên tục, nhiệt lượng tích tụ gây ứng suất nhiệt lớn trên bề mặt khuôn. Tốc độ làm mát không đều giữa phần lõi và phần vỏ dẫn đến hiện tượng co rút cục bộ. Sản phẩm bị lệch chuẩn kích thước và cong vênh ngoài giới hạn cho phép. Kéo dài thời gian làm mát thụ động sẽ gây tổn hao chi phí điện năng và giảm sản lượng sản xuất. Do đó, kỹ sư bắt buộc phải tính toán chuẩn xác các kênh dẫn nước làm mát bao quanh lòng khuôn.

2.2. Vấn đề phân bố dòng chảy và bẫy khí trong lòng khuôn

Dòng nhựa nóng chảy di chuyển trong khoang khuôn hẹp thường gặp trở lực thủy lực đáng kể. Tốc độ điền đầy không đồng đều sinh ra các đường hàn nhựa và hiện tượng bẫy khí. Áp suất đẩy cục bộ cao có thể gây hiện tượng ba-via tại mặt phân khuôn. Ngược lại, áp suất điền đầy không đủ sẽ gây hiện tượng thiếu liệu ở cuối dòng chảy. Việc bố trí vị trí miệng phun và kích thước cuống phun thiếu chuẩn xác làm trầm trọng thêm các khuyết tật này. Cấu trúc chốt giật và thanh trượt slider cũng tiềm ẩn nguy cơ kẹt cơ khí nếu góc nghiêng không hợp lý.

III. Giải pháp chế tạo khuôn ép móc nhựa dán tường ĐH SPKT TP

Đồ án tốt nghiệp tại ĐH SPKT TP.HCM áp dụng đồng bộ các giải pháp công nghệ số hiện đại. Phần mềm Creo Parametric được sử dụng để mô hình hóa hình học và thực hiện tách mặt phân khuôn. Nhóm nghiên cứu tiến hành tính toán góc thoát khuôn chuẩn xác cho toàn bộ các mặt bao ngoài sản phẩm. Hệ thống thanh trượt slider mở khuôn được thiết kế tối ưu, hỗ trợ tháo các vùng rãnh âm một cách mượt mà. Bên cạnh đó, phần mềm Moldex3D Studio 2021 được khai thác tối đa để mô phỏng dòng chảy nhựa nóng. Các bước mô phỏng phân tích chi tiết quá trình điền đầy, thời gian giữ áp và trường nhiệt độ làm mát. Nhờ dữ liệu mô phỏng, kỹ sư phát hiện sớm các vùng tập trung ứng suất và nguy cơ biến dạng cong vênh. Dựa trên kết quả CAE, hệ thống kênh làm mát và miệng phun được tái thiết kế khoa học. Bạc cuống phun được chọn theo tiêu chuẩn Misumi mã hiệu SBBH có hai bu lông kẹp giữ chắc chắn. Quy trình gia công phay CNC nhiều trục và xung điện EDM được lập trình cẩn thận, đảm bảo độ bóng lòng khuôn đạt chuẩn.

3.1. Mô phỏng động học khuôn với phần mềm Moldex3D

Công cụ Moldex3D Studio 2021 mang lại giải pháp trực quan hóa toàn diện quá trình ép phun nhựa PP. Kỹ sư thiết lập các thông số nhiệt độ nóng chảy, áp lực vòi phun và tốc độ bơm vật liệu. Mô phỏng chỉ rõ biểu đồ phân bố áp suất và đường đi của dòng chảy qua từng mili-giây. Dữ liệu làm mát cho thấy sự chênh lệch nhiệt độ giữa các phân vùng khuôn được hạ thấp đáng kể. Tình trạng co ngót thể tích và cong vênh được khống chế trong giới hạn cho phép dưới 0,5 mm. Việc thử nghiệm ảo này giúp loại bỏ hoàn toàn các sai sót trước khi chế tạo phôi kim loại.

3.2. Tiêu chuẩn hóa linh kiện và quy trình gia công cơ khí

Bộ khuôn ép được chế tạo từ thép chuyên dụng có độ cứng và khả năng chống mài mòn cao. Vỏ khuôn và linh kiện định vị tuân thủ bảng tra cứu linh kiện tiêu chuẩn hãng Misumi. Bạc cuống phun SBBH hai bu lông đảm bảo sự liên kết kín khít giữa vòi phun máy ép và kênh dẫn nhựa. Lòng khuôn và lõi khuôn được gia công tinh trên máy phay CNC hiện đại với chế độ cắt tối ưu. Các góc nhọn nhỏ hẹp được hoàn thiện bằng công nghệ xung điện EDM chính xác. Bề mặt lòng khuôn trải qua quá trình đánh bóng gương giúp sản phẩm nhựa tách khuôn dễ dàng.

IV. Đánh giá ứng dụng khuôn ép móc nhựa dán tường ĐH SPKT TP

Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Chế tạo máy của sinh viên ĐH SPKT TP.HCM đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra. Bộ khuôn ép phun móc nhựa dán tường vận hành ổn định trên dây chuyền thử nghiệm thực tế. Sản phẩm móc nhựa hoàn thiện có độ chính xác kích thước cao và biên dạng sắc nét. Bề mặt móc trơn nhẵn, không xuất hiện bọt khí, ba-via hay vết cháy khét cục bộ. Hệ thống làm mát được bố trí hợp lý đã rút ngắn đáng kể thời gian chu kỳ ép phun. Năng suất đúc ép chi tiết tăng rõ rệt, tiết kiệm năng lượng điện và giảm tỷ lệ phế phẩm xuống mức tối thiểu. Cơ cấu trượt slider đóng mở nhịp nhàng, đảm bảo quá trình đẩy sản phẩm tự động diễn ra liên tục. Thành công của đề tài chứng minh tính ứng dụng cao của giải pháp kết hợp CAD/CAM/CAE trong đào tạo kỹ thuật. Kết quả này có thể chuyển giao trực tiếp cho các doanh nghiệp sản xuất phụ kiện nhựa dân dụng. Đề tài mở ra hướng phát triển tự động hóa toàn diện với cánh tay robot gắp sản phẩm trong tương lai.

4.1. Hiệu quả kinh tế kỹ thuật và năng suất sản xuất

Việc chuẩn hóa khuôn mẫu giúp doanh nghiệp giảm bớt chi phí thiết kế và chế tạo thử nghiệm. Chu kỳ ép phun ngắn hơn cho phép xuất xưởng hàng ngàn chi tiết móc dán tường mỗi ca làm việc. Mức tiêu hao nguyên liệu thô Polypropylene giảm nhờ kiểm soát thể tích kênh dẫn và cuống phun tối ưu. Sản phẩm có độ bền cơ lý ổn định, khả năng chịu tải trọng móc treo đáp ứng tốt yêu cầu tiêu dùng. Độ bền khuôn mẫu cao đảm bảo hàng triệu chu kỳ dập ép mà không suy giảm độ chính xác. Đây là bằng chứng rõ ràng cho hiệu quả kinh tế của quy trình chế tạo khuôn.

4.2. Tiềm năng phát triển tự động hóa dây chuyền ép nhựa

Nghiên cứu tạo tiền đề vững chắc cho việc tích hợp công nghệ tự động hóa vào xưởng đúc nhựa. Hệ thống khuôn sẵn sàng liên kết với cảm biến áp suất và nhiệt độ lòng khuôn theo thời gian thực. Cánh tay robot công nghiệp có thể được lắp đặt để gắp sản phẩm và cắt cuống phun tự động. Mô hình quản lý dữ liệu sản xuất thông minh giúp phát hiện sớm các dấu hiệu mài mòn cơ khí của lòng khuôn. Hướng phát triển này nâng cao năng lực cạnh tranh cho ngành công nghiệp phụ trợ khuôn mẫu trong nước, đáp ứng tiêu chuẩn sản xuất xanh hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1.1 Lý do chọn đề tài Ngày nay, ngành nhựa đã trở thành một trong những ngành có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất, nhu cầu sử dụng các sản phẩm từ nhựa của người tiêu dùng ngày càng tăng cao. Các sản phẩm, chi tiết từ nhựa xuất hiện rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đời sống như: y tế, giáo dục, điện tử, viễn thông, giao thông vận tải, nông nghiệp, thủy sản,… Từ đó tạo điều kiện thúc đẩy nền công nghiệp thiết kế và chế tạo khuôn mẫu phát triển mạnh mẽ. Cùng với xu thế phát triển của ngành vật liệu nhựa trên thế giới, ngành sản xuất và gia công vật liệu nhựa trong nước cũng bắt đầu được chú trọng và phát triển. Thành tựu đầu tiên là sự ra đời hàng loạt của các sản phẩm nhựa đa dạng và phong phú, chất lượng và độ phức tạp của các sản phẩm ngày càng được cải thiện, hệ thống máy móc thiết bị ngày càng được nâng cấp, cải tiến.

Tuy nhiên trong quá trình học tập và làm việc, nhóm nghiên cứu nhận thấy việc tiếp cận và nghiên cứu về khuôn phun ép các sản phẩm nhựa trên cơ sở lý thuyết, mô phỏng thôi là chưa đủ, phần nhiều các sinh viên vẫn gặp khó khăn trong việc hiểu về cấu tạo khuôn cũng như nguyên lý hoạt động của một số loại khuôn. Thế nên việc ứng dụng mô hình khuôn vào giảng dạy trực tiếp là cần thiết nhằm nâng cao chất lượng giảng dạy và khơi gợi đam mê cho sinh viên về lĩnh vực thiết kế và chế tạo khuôn ép nhựa. Vì những lý do đã nêu, nhóm nghiên cứu đã chọn lên ý tưởng và triển khai ý tưởng cho đề tài nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ khuôn phun ép sản phẩm “móc nhựa dán tường”.2 Tính cấp thiết của đề tài Sản phẩm của đề tài nghiên cứu sẽ là nguồn tài liệu tham khảo trực quan, đem lại giá trị cho việc học tập và nghiên cứu của sinh viên. Đề tài sẽ đóng góp một phần vào công tác giảng dạy tại Khoa Cơ khí chế tạo máy trường đại học SPKT TP.

Thông qua đề tài này, nhóm chúng em muốn áp dụng những kiến thức đã học được vào việc thiết kế và chế tạo một bộ khuôn hoàn chỉnh cũng như để góp phần hỗ trợ việc học môn học Thiết kế, chế tạo khuôn mẫu cho các khóa sau của trường.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học Áp dụng những kiến thức đã học được để đi sâu vào nghiên cứu thêm về các loại khuôn nhằm cũng cố kiến thức chuyên môn cũng như khẳng định tầm quan trọng của công nghệ khuôn mẫu trong đời sống hiện nay.2 Ý nghĩa thực tiễn Với mong muốn vận dụng những kiến thức đã học, kinh nghiệm tích lũy được khi thực tập, cả nhóm hướng đến thiết kế chế tạo ra một bộ khuôn hoàn chỉnh để cũng cố, hoàn thiện 1 kiến thức đã học động thời tạo thêm tiền đề cho nhiều ý tưởng sáng tạo nhằm thúc đẩy phát triển ngành công nghệ khuôn mẫu nói chung.4 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: - Nghiên cứu về công nghệ phun ép nhựa. - Tìm hiểu về slider của khuôn phun ép các sản phẩm có hình dạng phức tạp. - Thiết kế và gia công mô hình khuôn phun ép nhựa. - Lắp ráp và thử nghiệm cơ cấu của bộ khuôn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Mô hình khuôn ép nhựa hai tấm có cơ cấu mở slider ép ra sản phẩm móc nhựa dán tường.2 Phạm vi nghiên cứu - Đề tài tập trung tính toán, nghiên cứu, mô phỏng, thiết kế và chế tạo mô hình khuôn dựa trên lý thuyết khuôn phun ép nhựa.