Thiết kế, chế tạo khuôn phun ép nhựa cơ cấu mềm

Báo cáo nghiên cứu thiết kế, chế tạo khuôn phun ép nhựa cơ cấu mềm tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

• Tác giả: Trần Đình Viễn
• Người hướng dẫn: ThS. Phạm Quân Anh
• 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, chế tạo khuôn phun ép nhựa cơ cấu mềm
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về khuôn phun ép nhựa cơ cấu mềm tại ĐH SPKT TPHCM

Khuôn phun ép nhựa cơ cấu mềm là đề tài nghiên cứu trọng điểm tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Dự án tập trung giải quyết bài toán gia công sản phẩm nhựa đàn hồi cao. Cơ cấu mềm hoạt động dựa trên sự biến dạng vật liệu dẻo. Thiết kế này loại bỏ các khớp nối cơ học truyền thống. Nhờ đó, sản phẩm giảm ma sát và không cần bảo dưỡng bôi trơn. Quá trình chế tạo đòi hỏi độ chính xác khuôn mẫu rất khắt khe. Nhóm nghiên cứu sinh viên ngành Công nghệ chế tạo máy đã làm chủ quy trình công nghệ này. Quy trình bao gồm từ khâu khảo sát vật liệu, lập bản vẽ layout đến mô phỏng hình học. Cấu trúc khuôn đáp ứng khả năng gia công hàng loạt với dung sai nhỏ. Sản phẩm tạo thành có biên dạng phức tạp và độ đàn hồi đồng đều. Hệ thống ép phun hiện đại tại xưởng thực hành hỗ trợ kiểm chứng thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu khẳng định năng lực ứng dụng khoa học kỹ thuật của sinh viên. Đề tài mở ra tiềm năng sản xuất linh kiện mềm thay thế hàng nhập khẩu.

1.1. Khái niệm và đặc tính của sản phẩm cơ cấu mềm

Cơ cấu mềm là kết cấu cơ học truyền chuyển động và lực thông qua biến dạng đàn hồi. Thiết kế này không sử dụng chốt quay hoặc bản lề lắp ghép rời. Ưu điểm lớn nhất là không có khe hở cơ học. Kết cấu nguyên khối giúp triệt tiêu hao mòn và hiện tượng kẹt khớp. Sản phẩm cơ cấu mềm có trọng lượng nhẹ và độ bền mỏi cao. Nhựa nhiệt dẻo là vật liệu chính được lựa chọn để đúc ép. Nhựa cho phép tạo ra các màng uốn siêu mỏng và linh hoạt. Tuy nhiên, tính chất đàn hồi phi tuyến tính tạo ra nhiều khó khăn khi đúc. Việc tính toán độ dày thành sản phẩm quyết định tuổi thọ làm việc. Độ biến dạng phải nằm trong giới hạn đàn hồi an toàn.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài tại Đại học SPKT TPHCM

Đề tài mã số SV2023-99 đặt ra mục tiêu làm chủ công nghệ khuôn đúc mẫu cơ cấu mềm. Nghiên cứu do sinh viên khoa Chất lượng cao trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện. Nhóm tập trung thiết kế bộ khuôn ép nhựa hoàn chỉnh đạt tiêu chuẩn công nghiệp. Sản phẩm đúc ra phải đảm bảo biên dạng uốn và độ chính xác lắp ghép. Mục tiêu cụ thể gồm thiết kế lòng khuôn, chọn kết cấu khuôn và chế tạo thực tế. Quá trình gia công cơ khí được thực hiện ngay tại xưởng trường. Đề tài kết nối lý thuyết cơ học với công nghệ chế tạo khuôn mẫu hiện đại. Sản phẩm thử nghiệm là minh chứng cho năng lực thực hành kỹ thuật cao của sinh viên.

II. Phân tích khó khăn chế tạo khuôn phun ép nhựa cơ cấu mềm

Chế tạo khuôn phun ép nhựa cơ cấu mềm đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật phức tạp. Chi tiết cơ cấu mềm thường có thành mỏng và tiết diện thay đổi đột ngột. Điều này dẫn đến phân bố dòng nhựa nóng chảy không đồng đều trong lòng khuôn. Tốc độ làm nguội khác nhau giữa các vùng gây ra hiện tượng cong vênh. Ứng suất dư tích tụ phá hủy khả năng đàn hồi tự nhiên của chi tiết. Ngoài ra, việc lựa chọn kết cấu giữa khuôn hai tấm và khuôn ba tấm gây nhiều tranh luận. Khuôn hai tấm có cấu tạo đơn giản và giá thành thấp. Tuy nhiên, khuôn hai tấm hạn chế số lượng miệng phun trên bề mặt chi tiết. Quá trình điền đầy nhựa qua miệng phun đơn lẻ diễn ra chậm. Hệ quả là nhựa bị đông đặc sớm trước khi lấp đầy các rãnh mỏng đàn hồi. Ngược lại, khuôn ba tấm cho phép bố trí nhiều miệng phun độc lập và tự cắt đuôi keo. Dẫu vậy, hành trình mở khuôn ba tấm dài làm tăng chu kỳ ép phun. Áp lực phun cũng suy giảm đáng kể do kênh dẫn nhựa dài.

2.1. Thách thức phân bố dòng chảy và kiểm soát nhiệt độ

Sự biến thiên nhiệt độ trong khuôn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cơ cấu mềm. Chi tiết có nhiều vách mỏng đàn hồi đòi hỏi nhựa lỏng điền đầy nhanh chóng. Nếu áp suất phun quá thấp, nhựa không điền đầy lòng khuôn và tạo bọt khí. Ngược lại, áp suất quá lớn sinh ra ứng suất nén dư cục bộ. Điều này làm cho sản phẩm bị cong sau khi tháo khỏi khuôn. Hệ thống đường nước giải nhiệt đóng vai trò then chốt trong kiểm soát co rút. Các kênh làm mát không đều sẽ tạo ra chênh lệch nhiệt độ bề mặt. Chênh lệch nhiệt độ kích hoạt quá trình co ngót không đồng nhất. Kết quả là cơ cấu mềm mất đi độ phẳng và độ đàn hồi chuẩn xác.

2.2. Vấn đề lựa chọn cấu trúc khuôn hai tấm và ba tấm

Việc so sánh kết cấu khuôn ảnh hưởng lớn đến chi phí và hiệu quả sản xuất. Khuôn hai tấm có kết cấu nhỏ gọn và chi phí chế tạo thấp. Tuy nhiên, hệ thống kênh dẫn nhựa của khuôn hai tấm chỉ nằm trên một mặt phẳng. Hạn chế này gây khó khăn khi bố trí nhiều cổng phun cho chi tiết diện tích lớn. Ngược lại, khuôn ba tấm cho phép tách kênh dẫn nguội tự động nhờ tấm kẹp thứ hai. Tấm trung gian giúp tự cắt đuôi keo khi mở khuôn. Dù vậy, khuôn ba tấm làm tăng tổn hao áp suất phun và kéo dài chu kỳ ép. Kích thước bộ khuôn lớn cũng đòi hỏi máy ép có lực kẹp cao hơn. Nhà thiết kế phải cân nhắc kỹ lưỡng giữa chi phí và yêu cầu kỹ thuật.

III. Giải pháp thiết kế tối ưu khuôn phun ép nhựa cơ cấu mềm hiệu quả

Nhóm nghiên cứu áp dụng quy trình thiết kế và mô phỏng hiện đại trên phần mềm Creo Parametric. Bản vẽ layout sơ bộ được phác thảo trên AutoCAD nhằm xác định kích thước tiêu chuẩn của các tấm khuôn. Căn cứ vào biên dạng sản phẩm nhỏ gọn, nhóm quyết định chọn kết cấu khuôn hai tấm. Giải pháp này giúp tiết kiệm vật liệu làm khuôn và giảm chi phí chế tạo. Bạc cuống phun loại C tiêu chuẩn được lựa chọn nhằm tối ưu hóa đường cấp nhựa từ đầu phun máy ép. Hệ thống dẫn hướng sử dụng cặp chốt và bạc định vị chính xác giữa tấm đực và tấm cái. Độ đồng tâm giữa hai nửa khuôn được kiểm soát nghiêm ngặt. Hệ thống làm mát được thiết kế với các đường nước làm nguội trực tiếp xung quanh lòng khuôn dương và âm. Các đầu nối PC ren hệ inch được gia công chuẩn xác để ngăn rò rỉ chất làm mát. Nhờ các giải pháp kỹ thuật đồng bộ, áp suất phun và nhiệt độ khuôn duy trì ở mức ổn định cao. Sản phẩm đúc hoàn thiện có bề mặt nhẵn bóng, không bọt khí và đạt độ dẻo dai mong muốn.

3.1. Thiết kế 3D bằng Creo Parametric và bố trí layout AutoCAD

Phần mềm Creo Parametric đóng vai trò nòng cốt trong thiết kế lòng khuôn 3D. Công cụ Reference trong Creo giúp liên kết chặt chẽ các thông số giữa tấm đực và tấm cái. Khi thay đổi kích thước sản phẩm, các chi tiết phụ trợ tự động cập nhật vị trí tương ứng. Trước khi lập mô hình 3D, bản vẽ layout tổng thể được xây dựng trên AutoCAD. Bản vẽ xác định khoảng cách giữa các bu-lông kẹp, vị trí chốt dẫn hướng và bạc cuống phun. Việc kết hợp hai phần mềm giúp giảm thiểu sai số hình học. Quá trình thiết kế diễn ra nhanh chóng và chính xác. Các va chạm cơ học tiềm ẩn giữa các bộ phận chuyển động được phát hiện và xử lý sớm.

3.2. Cấu tạo hệ thống dẫn hướng làm mát và bạc cuống phun

Hệ thống dẫn hướng gồm chốt dẫn hướng và bạc dẫn hướng tiêu chuẩn. Cặp chi tiết này đảm bảo chuyển động tịnh tiến thẳng hàng khi đóng mở khuôn. Chúng giữ vai trò định vị chính xác giữa tấm âm và tấm dương. Bạc cuống phun loại C được ép chặt vào tấm kẹp trước để dẫn nhựa từ đầu phun máy ép. Bán kính đầu bạc cuống phun được gia công ăn khớp với vòi phun. Hệ thống giải nhiệt bố trí các rãnh dẫn nước làm mát bao quanh lõi khuôn. Các đầu ren đường nước theo hệ inch kết nối chặt chẽ với khớp nối PC. Cấu trúc làm mát khoa học giúp nhựa nguội nhanh và co rút đồng đều. Nhờ đó, sản phẩm không bị biến dạng sau khi đẩy ra khỏi khuôn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của khuôn phun ép nhựa cơ cấu mềm ĐH SPKT TPHCM

Đề tài nghiên cứu khuôn phun ép nhựa cơ cấu mềm khẳng định giá trị thực tiễn cao trong đào tạo và sản xuất. Bộ khuôn hoàn chỉnh sau khi gia công và thử nghiệm đạt các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Chi tiết nhựa dẻo ra lò duy trì biên dạng chuẩn xác và có khả năng uốn lượn ổn định. Kết quả thử nghiệm chứng minh quy trình thiết kế khuôn hai tấm là hoàn toàn phù hợp với cơ cấu mềm quy mô nhỏ. Đề tài đóng góp tài liệu kỹ thuật có giá trị cho sinh viên ngành chế tạo máy tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Phương pháp tiếp cận này giúp rút ngắn thời gian nghiên cứu và giảm chi phí tạo mẫu công nghiệp. Các linh kiện cơ cấu mềm đúc bằng khuôn ép có thể thay thế hiệu quả các cụm chi tiết lắp ghép cồng kềnh. Ứng dụng mở rộng của sản phẩm bao gồm tay gắp robot mềm, kẹp định vị tự động và thiết bị y tế. Thành công của dự án mở ra hướng phát triển các dòng khuôn mẫu tự động hóa chất lượng cao.

4.1. Đánh giá kết quả thử nghiệm ép phun sản phẩm mẫu

Sản phẩm mẫu cơ cấu mềm được thử nghiệm ép thực tế trên máy ép nhựa chuyên dụng. Quá trình điền đầy diễn ra trơn tru mà không xuất hiện ba-via hay co lõm bề mặt. Bề mặt sản phẩm đạt độ bóng theo đúng tiêu chuẩn gia công khuôn. Khả năng biến dạng uốn đàn hồi của chi tiết được kiểm tra qua chu kỳ uốn lặp lại. Cơ cấu mềm đáp ứng chuyển động mượt mà và không phát sinh vết nứt gãy cơ học. Độ đồng đều về độ dày thành sản phẩm duy trì dung sai kích thước trong ngưỡng cho phép. Kết quả này chứng minh tính đúng đắn của việc tính toán kênh dẫn và bố trí đường nước làm mát.

4.2. Khả năng ứng dụng cơ cấu mềm trong công nghiệp hiện đại

Công nghệ chế tạo cơ cấu mềm mở ra tiềm năng lớn trong tự động hóa và y sinh. Trong công nghiệp chế tạo robot, cơ cấu mềm được ứng dụng để làm các ngón tay gắp thích ứng. Các tay kẹp này có khả năng cầm nắm đồ vật dễ vỡ mà không làm trầy xước. Trong lĩnh vực y tế, cơ cấu mềm giúp sản xuất các dụng cụ phẫu thuật nội soi siêu nhỏ. Chi tiết nhựa đàn hồi loại bỏ nguy cơ mài mòn sinh ra hạt vi nhựa trong môi trường làm việc. Ngoài ra, chi phí sản xuất thấp từ khuôn ép nhựa giúp thương mại hóa sản phẩm nhanh chóng. Công nghệ này thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị cơ điện tử thông minh thế hệ mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Chúng ta biết rằng xã hội ngày càng phát triển hiện đại kéo theo nhu cầu về vật chất và tinh thần ngày càng cao, do vậy khoa học kĩ thuật đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống hàng ngày của con người. Trong đó nhựa là một trong những nguyên liệu phổ nhất để sản xuất các sản phẩm tiêu dùng hàng ngày cũng như những sản phẩm quan trọng khác trong ngành công nghiệp khuôn mẫu. Với sự phát triển và nhu cầu của toàn xã hội hiện nay. Nhựa đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc tạo ra những sản phẩm đa dạng để phục vụ những nhu cầu khác nhau trong xã hội.

Chính những nhu cầu thị trường đấy đã tạo ra cơ hội cho những doanh nghiệp sản xuất nói chung và kỹ sư thiết kế nói riêng. Tuy nhiên, cơ hội lớn cũng đồng nghĩa tháchthức lớn được đặt ra, đó là làm cách nào để đưa sản phẩm đến tay người tiệu dung. Điều đó đòi sản phẩm không những đạt chất lượng tốt mà giá thành phải hợp lí.1: Những sản phẩm nhựa thông dụng. Lí do chọn đề tài.

Với mong muốn tìm hiều và học hỏi quá trình chế tạo một bộ khuôn hoàn chỉnh, kiểm nghiệm lại những kiến thức bằng chính thực nghiệm của mình áp dụng vào những đề tài thực tế. Tạo điều kiện tiếp xúc, lấy kinh nghiệm cho bản thân trước khi ra trường và tham gia vào sản xuất. Bên cạnh đó đề tài nhóm chúng em được thừa hưởng từ đề tài các anh/chị khóa trước 1 về nghiên cứu kéo nén ứng suất bên trong cơ cấu mềm .Nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài: “ Thiết kế ,chế tạo khuôn phun ép nhựa tạo mẫu cho cơ cấu mềm ”. Nhóm thực hiện cũng mong muốn bộ khuôn hoạt động tốt cho các nhóm khóa sau tiếp tục sử dụng để nghiên cứu.

phát triển thêm nhiều đề tài tốt hơn ,đóng góp một phần nhỏ vào việc phát triển nền công nghiệp khuôn mẫu.3 Mục tiêu đề tài: Ứng dụng lý thuyết và kỹ thuật CAD/CAM để thiết kế và chế tạo bộ khuôn ép nhựa phục vụ cho ngành công nghiệp ép nhựa, đó là khuôn ép nhựa cho cơ cấu mềm. Đề tài là mô hình mẫu để sinh viên nắm bắt về công nghệ ép nhựa, góp phần nâng cao kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn. Tạo ra sản phẩm bộ khuôn ép nhựa cho cơ cấu mềm phục vụ cho quá trình nghiên cứu sau này.4 Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng các kiến thức căn bản về thiết kế cơ khí nhằm xây dựng cách thức tiến hành tính toán thiết kế kích thước, thiết kế để xây dựng được bản vẽ chế tạo các chi tiết của bộ khuôn ép nhựa.

Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Khảo sát, phân tích và đánh giá mô hình trên phần mềm; gia công chi tiết trong cơ sở sản xuất.5 Phạm vi nghiên cứu. Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu, thiết kế, tính toán về bộ khuôn ép nhựa dựa trên lý thuyết thiết kế khuôn ép nhựa .Cụ thể là “Thiết kế và chế tạo bộ khuôn ép nhựa cho cơ cấu mềm. ” 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 Tổng quan về khuôn: 2.1 Khái niệm về khuôn phun ép nhựa: Khuôn là dụng cụ dùng để tạo hình sản phẩm theo phương pháp định hình, khuôn được thiết kế và chế tạo để sử dụng cho một số lượng chu trình nào đó, có thể một lần và có thể là nhiều lần. Kết cấu và kích thước của khuôn được thiết kế và chế tạo phụ thuộc vào hình dáng, kích thước, chất lượng và số lượng của sản phẩm cần tạo ra.

Ngoài ra còn phụ thuộc vào rất nhiều vấn đề khác.