Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp chất dẻo đóng vai trò thiết yếu trong hoạt động sản xuất và đời sống hiện đại. Sự ra đời của nhựa Polyethylene Terephthalate (PET) đã tạo nên bước chuyển dịch lớn trong công nghệ sản xuất bao bì thực phẩm, nước giải khát, dược phẩm và nông dược dạng lỏng, thay thế dần các loại bao bì truyền thống như thủy tinh, kim loại hay hộp giấy tráng kim loại. Theo số liệu tác giả trình bày, mức tăng trưởng tiêu thụ bao bì PET trên thế giới đạt khoảng 15% mỗi năm và tốc độ này còn cao hơn tại các quốc gia đang phát triển như Việt Nam.

Nhu cầu mẫu mã bao bì liên tục thay đổi đòi hỏi năng lực thiết kế và chế tạo các bộ khuôn thổi tương ứng phải rút ngắn thời gian và tối ưu hóa chi phí. Mặc dù công nghệ thổi chai đã xuất hiện từ lâu, nguồn nhân lực am hiểu sâu về tính toán, thiết kế và gia công khuôn thổi tại các cơ sở đào tạo kỹ thuật còn hạn chế, chưa đáp ứng đầy đủ yêu cầu sản xuất thực tế. Đồ án "Thiết kế, phân tích và chế tạo khuôn thổi chai PET 500ml" của nhóm tác giả tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh được thực hiện nhằm ứng dụng chuỗi giải pháp tích hợp CAD/CAM/CNC và mô phỏng số vào quy trình phát triển sản phẩm khuôn thổi công nghiệp.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm 6 nội dung chính:

  1. Khảo sát và tổng quan công nghệ khuôn thổi cùng các loại vật liệu nhựa bao bì.
  2. Tính toán và thiết kế mẫu chai nhựa PET có thể tích danh định 500ml.
  3. Tính toán kết cấu, phân chia mặt phân khuôn và tách chi tiết khuôn thổi cho cụm 2 sản phẩm (khoảng cách 120mm).
  4. Ứng dụng phần mềm ANSYS Polyflow để mô phỏng quá trình thổi, phân tích sự điền đầy và biến thiên độ dày thành chai.
  5. Lập trình gia công các tấm khuôn chính và khuôn đáy trên máy điều khiển số CNC.
  6. Thiết kế hoàn chỉnh bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp ráp cụm khuôn và chế tạo thực nghiệm bộ khuôn thổi.

Đối tượng nghiên cứu là kết cấu khuôn thổi chai nhựa PET dung tích 500ml và quy trình công nghệ gia công khuôn bằng hợp kim nhôm 6061. Phạm vi thực hiện giới hạn trong không gian xưởng thực hành và Trung tâm Công nghệ cao thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, thực hiện trong niên khóa 2012–2016 (hoàn thành tháng 07/2016).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên nguyên lý gia công chất dẻo bằng công nghệ thổi khí định hình (Blow Molding), tính chất nhiệt cơ của vật liệu polymer và đặc tính cơ học của vật liệu chế tạo khuôn mẫu:

  • Công nghệ thổi định hình: Tác giả phân tích và so sánh ba phương pháp chính gồm đùn - thổi (Extrusion Blow Molding), ép - thổi (Injection Blow Molding) và kéo - thổi định hướng hai chiều (Stretch Blow Molding 1 giai đoạn và 2 giai đoạn).
Tiêu chí so sánh Công nghệ Đùn - Thổi Công nghệ Ép - Thổi
Đặc điểm thao tác Thao tác đơn giản, tính linh hoạt cao Thao tác phức tạp, ít linh hoạt hơn
Tỷ lệ phế liệu Lượng phế liệu cắt bavia nhiều Ít phát sinh phế liệu
Kích thước sản phẩm Có khả năng tạo sản phẩm dung tích lớn Giới hạn kích thước sản phẩm (thường $\le 500\text{ml}$)
Chu kỳ và giá thành Chu kỳ ngắn, giá thành thiết bị thấp Chu kỳ dài hơn, chi phí thiết bị và khuôn cao
Độ đồng đều bề dày Bề dày không đồng đều, quang học thấp Bề dày thành đồng đều, cơ tính rất tốt
Đặc tính vùng đáy và cổ Đáy có đường hàn phôi Không có đường hàn đáy, cổ chai chuẩn xác
Mức độ tinh thể hóa Thích hợp cho polymer có độ kết tinh cao Thích hợp cho polymer có độ kết tinh thấp
  • Vật liệu sản phẩm: Nhựa Polyethylene Terephthalate có công thức phân tử $(C_{10}H_8O_4)_n$, là polymer nhiệt dẻo tạo thành từ phản ứng trùng ngưng giữa acid terephthalic hoặc dimethyl terephthalate với ethylene glycol. Nhựa PET có tỷ trọng dao động $1{,}38\text{ g/cm}^3$, nhiệt độ gia công định hình lên tới $200^\circ\text{C}$, nhiệt độ làm việc thấp nhất $-90^\circ\text{C}$, khả năng chịu lực xé, chịu mài mòn, độ bền kéo cao và hệ số chống thấm khí quyển ($O_2, CO_2$) vượt trội. Tiêu chuẩn đo chỉ số nóng chảy (MI) của nhựa được tham chiếu theo tiêu chuẩn ASTM D 1238.
  • Vật liệu chế tạo khuôn: Sử dụng hợp kim nhôm Al 6061 (thành phần chính Al-Mg-Si), có mật độ $2{,}7\text{ g/cm}^3$, nhiệt độ nóng chảy xấp xỉ $580^\circ\text{C}$, mô đun đàn hồi $70\text{--}80\text{ GPa}$, hệ số Poisson $0{,}33$. Vật liệu này được lựa chọn do tính dẫn nhiệt tốt, dễ cắt gọt trên máy CNC, giảm hao mòn dao cụ và dễ đánh bóng bề mặt lòng khuôn.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa:

  1. Phương pháp phân tích lý thuyết: Tính toán kích thước hình học, độ co rút vật liệu nhựa khi làm nguội và cân bằng nhiệt truyền dẫn trên thân khuôn.
  2. Phương pháp mô phỏng số (Computer-Aided Engineering - CAE): Sử dụng mô hình động học chất lỏng dạng vỏ 2D (2D shell geometry), đẳng nhiệt Newton trong phần mềm ANSYS Polyflow.
  3. Phương pháp thiết kế và gia công thực nghiệm (CAD/CAM/CNC): Tạo mô hình 3D trên PTC Creo Parametric 3.0, xuất mã G-code và tiến hành phay gia công thực tế trên máy phay CNC.

Thiết kế và quy trình chế tạo kỹ thuật bộ khuôn

Hệ thống khuôn thổi chai PET 500ml được thiết kế để định hình đồng thời 2 sản phẩm trong một chu kỳ thổi. Cấu trúc tổng thể bao gồm hai nửa khuôn thân (khuôn trái và khuôn phải), cụm khuôn đáy độc lập, tấm kẹp khuôn, miệng líp và các chi tiết phụ trợ định vị, dẫn hướng.

Thông số kỹ thuật cụm chi tiết khuôn

Nhóm chi tiết Tên gọi / Quy cách Số lượng Kích thước kỹ thuật (mm)
Chi tiết tạo hình Khuôn thân chai thứ nhất 01 $300 \times 245 \times 90$
Khuôn thân chai thứ hai 01 $300 \times 245 \times 90$
Khuôn đáy chai 01 Gia công định hình biên dạng 5 cánh đáy
Chi tiết gá kẹp Tấm kẹp khuôn 02 $300 \times 245 \times 20$
Miệng líp 01 cụm $\Phi 88 \times 30 \times 180^\circ$
Chi tiết định vị & siết Bu lông định vị chính 08 $\text{M}8 \times 25$
Bu lông kẹp phụ 06 $\text{M}6 \times 20$
Bạc dẫn hướng 06 $\Phi 18 \times 21$
Chốt định vị 02 $\Phi 12 \times 60$

Quy trình công nghệ CAD/CAM/CNC và mô phỏng

  1. Thiết kế hình học sản phẩm (CAD): Sử dụng PTC Creo Parametric 3.0 tạo hình chai nước CES PLASMA dung tích 500ml thông qua các lệnh dựng hình Revolve (biên dạng tròn xoay thân chai), tạo 3 gân tăng cứng dạng sóng, dùng lệnh Offset khắc chìm logo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, ký hiệu "CES" và "DAISUKI", kết hợp lệnh Swept Blend thiết kế kết cấu vòm chịu lực 5 cánh ở đáy chai.
  2. Tách lòng khuôn (Mold Cavity Split): Thiết lập môi trường tách khuôn mmns_mfg_mold, nhân bản hai mô hình chai đặt song song với khoảng cách tâm là $120\text{mm}$. Áp dụng hệ số co ngót nhựa (shrinkage), xác định hướng rút khuôn (pull direction), tạo mặt phân khuôn tự động bằng tính năng Fill và phân tách phôi (volume split) thành 3 khối lòng khuôn chính: Khuôn thân 1, Khuôn thân 2 và Khuôn đáy. Thiết kế bổ sung các kênh dẫn nước làm mát, rãnh thoát khí (venting) và các lỗ bắt bu lông gá kẹp.
  3. Mô phỏng thổi định hình (CAE Polyflow): Thiết lập bài toán mô phỏng phụ thuộc thời gian (Time-dependent problem) trong module ANSYS 15.0 Polyflow. Phôi ban đầu (parison) được gán các thông số: chiều cao $H = 0{,}2\text{ m}$ ($200\text{mm}$), bán kính $R = 0{,}014\text{ m}$ ($14\text{mm}$), bề dày ban đầu $t = 0{,}002\text{ m}$ ($2\text{mm}$), khối lượng riêng $\rho = 1380\text{ kg/m}^3$, độ nhớt động học $\eta = 10^3\text{ Pa}\cdot\text{s}$. Quá trình mô phỏng áp dụng hàm dốc vận tốc đóng khuôn và áp suất khí nén thổi dạt thành phôi bám sát biên dạng lòng khuôn nhôm.
  4. Lập trình gia công và chế tạo (CAM/CNC): Chuẩn bị phôi nhôm Al 6061 đã qua mài phẳng chuẩn. Lập trình đường chạy dao phay thô, phay tinh lòng khuôn thân và khuôn đáy. Sau khi gia công cắt gọt, bộ khuôn được xử lý làm nguội, lắp ráp các chốt dẫn hướng, bạc lót và đánh bóng thủ công lòng khuôn nhằm loại bỏ vết dao phay, đảm bảo độ bóng bề mặt chai thành phẩm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này phân tích tính cấp thiết của việc áp dụng giải pháp số hóa CAD/CAM/CNC trong chế tạo khuôn bao bì nhựa tại Việt Nam. Tác giả trình bày tổng quan lịch sử ngành thổi bao bì từ đầu thế kỷ XX (với Cellulose acetate, Polystyrene) đến khi nhựa PET ra đời thập niên 1970 và phát triển mạnh từ thập niên 1990. Chương 1 cũng nêu rõ 6 nhiệm vụ trọng tâm, phạm vi giới hạn của đề tài và kế hoạch thực hiện tại xưởng cơ khí nhà trường.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày có hệ thống các khái niệm polymer học: nhựa nhiệt dẻo, nhựa nhiệt rắn, polymer vô định hình và polymer kết tinh. Tác giả phân tích chi tiết các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu nhựa (chỉ số nóng chảy MI theo ASTM D 1238, độ hút ẩm sau 24 giờ ngâm nước, tỷ lệ co rút, độ cách điện theo $\text{KV/mm}$, độ bền kéo, độ dãn dài, độ cứng Shore/Rockwell/Brinell, độ chịu va đập và mài mòn). Phân tích cấu trúc phân tử, phản ứng este hóa tạo PET và đánh giá công nghệ đùn-thổi, ép-thổi, kéo-thổi. Cuối chương là luận chứng lựa chọn hợp kim nhôm 6061 làm vật liệu gia công khuôn dựa trên cơ tính và tính kinh tế khi cắt gọt.

Chương 3: Thiết kế mẫu chai nước

Chương 3 giới thiệu cấu trúc các module và đuôi tệp mở rộng của phần mềm PTC Creo Parametric 3.0 (.prt, .dwg, .asm, .mfg). Trình bày chi tiết từng bước xây dựng hình học mẫu chai nước 500ml tên thương mại "CES PLASMA":

  • Lệnh Revolve tạo thân trụ và cổ ren chai.
  • Tạo 3 gân tăng cứng trên thân nhằm cải thiện độ bền uốn dọc.
  • Lệnh Offset khắc biểu trưng trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM và các nhãn hiệu CES, DAISUKI.
  • Lệnh Swept Blend định hình 5 cánh lõm ở đáy chai giúp chai đứng vững và phân bổ đều áp lực đáy.

Chương 4: Lắp ráp khuôn chai nước trong môi trường Assembly

Chương này mô tả toàn bộ kỹ thuật tách khuôn trên Creo 3.0. Bắt đầu từ việc bố trí 2 lòng chai song song cách nhau $120\text{mm}$, áp dụng hệ số co rút nhựa, thiết lập hướng rút khuôn, tạo mặt phân khuôn (Fill) và tách phôi (Volume Split) thành 4 chi tiết khuôn độc lập. Tiếp đó, tác giả hoàn thiện thiết kế hệ thống giải nhiệt, lỗ gá kẹp, chốt định vị và đưa toàn bộ chi tiết (khuôn thân 1, khuôn thân 2, khuôn đáy, tấm kẹp $300 \times 245 \times 20\text{mm}$, miệng líp $\Phi 88$, bu lông M8/M6, bạc $\Phi 18$, chốt $\Phi 12$) vào môi trường Assembly để kiểm tra xung đột hình học và ràng buộc động học.

Chương 5: Mô phỏng 3D khuôn thổi chai

Chương 5 trình bày việc ứng dụng ANSYS 15.0 Polyflow (phân hệ Fluid Flow - Blow Molding). Thiết lập bài toán 2D shell dạng biến dạng theo thời gian. Khai báo đặc tính phôi parison nhựa PET ($H = 0{,}2\text{m}$, $R = 0{,}014\text{m}$, $t = 0{,}002\text{m}$, khối lượng riêng $1380\text{ kg/m}^3$, độ nhớt $10^3\text{ Pa}\cdot\text{s}$). Thiết lập các miền (domain): khuôn trái, khuôn phải và phôi; gán hàm dốc vận tốc đóng hai nửa khuôn và hàm biến thiên áp suất khí thổi dạt thành phôi vào vách khuôn nhôm để phân tích độ phân bố bề dày vỏ chai.

Chương 6: Lập trình gia công và hoàn thiện khuôn

Nội dung chương trình bày quy trình chuẩn bị phôi nhôm 6061, xác định gốc tọa độ gia công ($G54$), lập phiếu công nghệ và chương trình CAM phay CNC cho từng tấm khuôn:

  • Gia công khuôn thân chai thứ nhất và thứ hai (phay thô lòng khuôn, phay bán tinh, phay tinh bề mặt cong, gia công rãnh thoát khí và khoan lỗ đường nước làm mát).
  • Gia công khuôn đáy (lần gá 1 định hình biên dạng 5 cánh vòm, lần gá 2 gia công mặt sau và lỗ gá lắp).
  • Quy trình gia công nguội, rà khớp mặt phân khuôn và đánh bóng cơ học lòng khuôn nhằm đảm bảo độ nhẵn bóng của sản phẩm sau khi thổi.

Chương 8: Kết luận và đề xuất

Tổng kết toàn bộ khối lượng công việc hoàn thành từ bản vẽ 3D, mô phỏng số, tách khuôn đến sản phẩm bộ khuôn vật lý bằng nhôm 6061. Nêu rõ các thiếu sót kỹ thuật do giới hạn thiết bị tại xưởng và định hướng các nghiên cứu nâng cao cho đề tài.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả thiết kế và chế tạo:
    • Hoàn thành bản vẽ 3D chi tiết và bản vẽ lắp hoàn chỉnh mẫu chai PET 500ml và cụm khuôn 2 lòng thổi trên phần mềm PTC Creo Parametric 3.0.
    • Tách khuôn thành công thành 3 cụm chi tiết cơ bản: 2 nửa khuôn thân ($300 \times 245 \times 90\text{mm}$) và 1 cụm khuôn đáy, kết hợp hệ thống kẹp khuôn ($300 \times 245 \times 20\text{mm}$), miệng líp ($\Phi 88$) cùng hệ thống bu lông định vị M8, M6 và chốt bạc tiêu chuẩn.
    • Gia công hoàn thiện bộ khuôn thực tế từ phôi hợp kim nhôm Al 6061 trên máy phay CNC và hoàn tất công đoạn đánh bóng bề mặt lòng khuôn.
  • Kết quả mô phỏng số:
    • Thiết lập thành công mô hình mô phỏng dòng chảy thổi định hình trên ANSYS 15.0 Polyflow với các thông số phôi cụ thể ($H = 0{,}2\text{m}$, bán kính $14\text{mm}$, dày $2\text{mm}$, độ nhớt $10^3\text{ Pa}\cdot\text{s}$).
    • Xác định được quy luật biến thiên áp suất, vận tốc đóng mở khuôn và sự phân bố bề dày của phôi nhựa khi ép sát vào thành khuôn.
  • Giải pháp kỹ thuật đề xuất:
    • Đề xuất bố trí 2 lòng khuôn song song cách nhau $120\text{mm}$ trong một cụm đế nhằm tăng gấp đôi năng suất thổi trên cùng một chu kỳ máy.
    • Sử dụng kết cấu đáy dạng vòm 5 cánh (swept blend) và 3 gân sóng tròn trên thân chai nhằm nâng cao độ cứng vững, tránh méo móp khi chiết rót chất lỏng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế được tác giả ghi nhận:
    • Mô phỏng trên phần mềm ANSYS 15.0 chưa bao quát hết quá trình điền đầy nhựa vào các chi tiết vi mô có kích thước rất nhỏ như logo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật trên thân chai.
    • Độ sắc nét và tinh xảo của các đường nét logo khắc chìm trên khuôn chưa đạt mức tuyệt đối do giới hạn về kích thước đường kính dao phay nhỏ nhất của máy CNC tại xưởng trường.
    • Độ bóng và độ hoàn mỹ của sản phẩm chai thổi thực nghiệm còn phụ thuộc vào sự giới hạn của trang thiết bị máy thổi tại cơ sở thực hành.
  • Hướng nghiên cứu phát triển:
    • Tối ưu hóa các thông số công nghệ gia công CNC (tốc độ cắt, lượng tiến dao, chiều sâu cắt) cho các loại dao phay tinh micro để khắc chữ sắc nét hơn.
    • Thử nghiệm mô phỏng và chế tạo khuôn cho các mẫu chai có hình dáng phức tạp hơn hoặc thay đổi vật liệu thổi sang các loại nhựa tái sinh, nhựa sinh học.
    • Cải tiến hệ thống làm mát tuần hoàn khép kín và tự động hóa chu kỳ cấp phôi/thổi trên máy công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Chế tạo máy, Kỹ thuật Công nghiệp làm đồ án môn học Thiết kế khuôn mẫu, đồ án CAD/CAM/CNC hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến công nghệ chất dẻo.
  • Kỹ sư thiết kế khuôn bao bì tham khảo quy trình tách khuôn 2 lòng trên phần mềm PTC Creo Parametric (các bước từ trích xuất mặt phân khuôn, gán hệ số co rút đến tách thể tích khuôn).
  • Người nghiên cứu ứng dụng CAE tham khảo phương pháp thiết lập bài toán mô phỏng thổi túi/chai trong module ANSYS Polyflow (cách gán điều kiện biên, thiết lập lưới 2D shell, gán hàm dốc áp suất và vận tốc khuôn).

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu nào được lựa chọn để gia công bộ khuôn thổi và các thông số cơ lý chính là gì?
Nhóm tác giả chọn hợp kim nhôm Al 6061. Các thông số cơ lý của vật liệu này gồm: mật độ $2{,}7\text{ g/cm}^3$, nhiệt độ nóng chảy khoảng $580^\circ\text{C}$, mô đun đàn hồi $70\text{--}80\text{ GPa}$, hệ số Poisson $0{,}33$. Vật liệu này có ưu điểm dẫn nhiệt cao, dễ cắt gọt, ít mòn dao và dễ đánh bóng bề mặt lòng khuôn.

2. Khoảng cách giữa hai lòng khuôn trong thiết kế cụm khuôn đôi là bao nhiêu?
Trong môi trường tách khuôn PTC Creo Parametric 3.0, mô hình chai được nhân bản thành hai chi tiết đặt song song với khoảng cách tâm chính xác là $120\text{mm}$.

3. Các kích thước và thông số ban đầu của phôi thổi (parison) trong mô phỏng ANSYS Polyflow là gì?
Phôi thổi ban đầu có chiều cao $H = 0{,}2\text{ m}$ ($200\text{mm}$), bán kính $R = 0{,}014\text{ m}$ ($14\text{mm}$), độ dày ban đầu $t = 0{,}002\text{ m}$ ($2\text{mm}$). Vật liệu được mô hình hóa ở dạng bề mặt đẳng nhiệt Newton với độ nhớt $10^3\text{ Pa}\cdot\text{s}$ và khối lượng riêng $1380\text{ kg/m}^3$.

4. Quy trình tách khuôn trên Creo 3.0 bao gồm những thao tác kỹ thuật chính nào?
Quy trình gồm: tạo file môi trường mmns_mfg_mold, đưa mô hình chai vào làm chuẩn (Assembly reference model), gán hệ số co rút (Shrinkage), xác định hướng rút khuôn (Pull direction), tạo phôi bao (Workpiece), tạo mặt phân khuôn (Fill), chia tách thể tích phôi (Volume split) và lưu các phần khuôn độc lập bằng tính năng Cavity insert.

5. Đồ án chỉ ra những hạn chế kỹ thuật nào trong quá trình thực hiện?
Các hạn chế chính gồm: ANSYS 15.0 chưa mô phỏng đầy đủ độ điền đầy ở các chi tiết quá nhỏ (logo trường), biên dạng logo trên thân khuôn gia công CNC chưa đạt độ tinh xảo cao do giới hạn kích thước mũi dao, và chất lượng sản phẩm thổi thực nghiệm bị ảnh hưởng bởi điều kiện thiết bị máy thổi hiện có.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, phân tích và chế tạo khuôn thổi chai PET 500ml" đã giải quyết trọn vẹn quy trình kỹ thuật phát triển bộ khuôn thổi 2 lòng từ giai đoạn thiết kế 3D, mô phỏng số dòng chảy định hình đến lập trình gia công CNC thực tế trên nền vật liệu hợp kim nhôm 6061. Việc kết hợp chặt chẽ giữa PTC Creo Parametric 3.0 và ANSYS Polyflow giúp kiểm soát tốt hình học, hạn chế khuyết tật và tối ưu hóa kết cấu cơ khí của bộ khuôn. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm và tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng cao cho lĩnh vực thiết kế, chế tạo khuôn mẫu bao bì nhựa công nghiệp.