Giới thiệu dự án

Ngành công nghiệp ép phun nhựa (Plastic Injection Molding) hiện chiếm hơn 40% tổng sản lượng gia công các chi tiết polymer toàn cầu. Tuy nhiên, việc chế tạo các sản phẩm tiêu dùng tích hợp phần vấu lồi, ngàm giữ hoặc biên dạng móc treo thường tạo ra các vị trí hình học phức tạp gọi là undercut ngoài (External Undercut). Đối với các sản phẩm này, phương pháp mở khuôn thẳng hai tấm truyền thống không thể tháo được chi tiết mà không làm biến dạng hoặc phá hủy kết cấu.

Vấn đề cốt lõi (Problem Statement) nằm ở việc giải phóng sản phẩm có biên dạng vấu móc ngoài ($50 \times 30 \times 5\text{ mm}$) mà vẫn đảm bảo tự động tách đuôi keo ngầm, tối ưu hóa thời gian chu kỳ (Cycle Time) và loại bỏ hoàn toàn vết cổng phun trên bề mặt ngoại quan.

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                             CẤU TRÚC BỘ KHUÔN 3 TẤM                           |
|                                                                               |
| [Tấm kẹp trên] ---> [Tấm tách Runner] ---> [Tấm Cavity] ---> [Tấm Core]       |
|                            |                     |                 |          |
|                   (Tự cắt keo điểm)      (Chốt xiên đẩy)     (Hệ thống ty đẩy)|
|                                                  v                 |          |
|                                          [Slider Undercut] <-------+          |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu cụ thể của dự án bao gồm:

  1. Thiết kế hình học 3D chi tiết móc treo tường: Tối ưu hóa góc thoát khuôn (Draft Angle $1.5^\circ - 2.0^\circ$) và bán kính góc lượn ($R = 1.0\text{ mm}$) trên phần mềm CAD chuyên dụng.
  2. Tính toán và thiết kế kết cấu khuôn 3 tấm tích hợp cơ cấu Slider: Sử dụng chốt xiên (Angular Pin) dẫn hướng góc $\alpha = 20^\circ$ để mở hành trình undercut ngoài $S_w = 8.5\text{ mm}$.
  3. Mô phỏng động học dòng chảy (CAE Flow Simulation): Phân tích thời gian điền đầy, áp suất phun, đường hàn (Weld Lines), rỗ khí (Air Traps) và độ cong vênh (Warpage) để tối ưu hóa cổng rót.
  4. Lập quy trình công nghệ gia công CNC và chế tạo mô hình: Gia công thực nghiệm các tấm khuôn chính xác trên vật liệu hợp kim nhôm A6061-T6 theo tiêu chuẩn kích thước bao $200 \times 200 \times 240\text{ mm}$.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc nghiên cứu mô hình bộ khuôn 2 lòng khuôn (2 Cavities), sử dụng miệng phun điểm chốt (Pin-point Gate) đường kính $\varnothing 1.2\text{ mm}$, vật liệu nhựa nhiệt dẻo Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) có độ co rút $0.4% - 0.7%$.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trong chế tạo khuôn ép nhựa cho sản phẩm có chốt móc hoặc rãnh ngoài, các giải pháp công nghệ hiện hữu bộc lộ những ưu và nhược điểm riêng biệt khi so sánh với cấu trúc khuôn 3 tấm có con trượt cơ khí:

Tiêu chí kỹ thuật Khuôn 2 tấm truyền thống Khuôn Hot Runner (Kênh dẫn nóng) Khuôn 3 tấm có Slider cơ khí (Đề tài)
Khả năng tháo Undercut ngoài Bắt buộc cưỡng bức (Dễ biến dạng sản phẩm) Cần cụm trượt thủy lực phụ trợ phức tạp Chốt xiên kết hợp Slider tự động mở khi mở khuôn
Vị trí miệng phun (Gate) Giới hạn ở cạnh bên (Edge gate) Linh hoạt, phun trực tiếp vào bề mặt Miệng phun điểm chốt (Pin-point) tự cắt tại đỉnh
Chi phí đầu tư & Chế tạo Thấp ($1.0\times$), kết cấu đơn giản Rất cao ($3.5\times - 4.5\times$), bảo trì khó Trung bình ($1.8\times$), tối ưu chi phí đào tạo/sản xuất
Xử lý phế liệu kênh dẫn Phải cắt gọt thủ công sau khi ép Không sinh phôi kênh dẫn nguội Tự động tách riêng cuống keo và sản phẩm

Phân tích yêu cầu kỹ thuật theo mô hình MoSCoW:

  • Must have: Cơ cấu chốt xiên - Slider giải phóng hoàn toàn biên dạng móc ngoài $5\text{ mm}$; hệ thống 3 tấm mở tuần tự theo 3 khoảng mở tiêu chuẩn; hệ thống tự cắt đuôi keo pin-point.
  • Should have: Áp suất ép điền đầy lòng khuôn dưới $60\text{ MPa}$; độ cong vênh cực đại sau khi nguội dưới $0.45\text{ mm}$.
  • Could have: Tích hợp đường nước làm mát đối xứng dạng thẳng $\varnothing 8\text{ mm}$ đi qua cả tấm Cavity và Core.
  • Won't have: Cơ cấu rút lõi bằng xylanh thủy lực độc lập (nhằm giảm chi phí và đơn giản hóa bảo dưỡng).

Thiết kế hệ thống

Hệ thống khuôn được mô hình hóa và lắp ráp đồng bộ với stack công nghệ kỹ thuật cao:

  • Phần mềm thiết kế CAD: PTC Creo Parametric 8.0 kết hợp module chuyên dụng khuôn mẫu EMX 14.0 (Expert Moldbase Extension).
  • Phần mềm phân tích kỹ thuật CAE: Moldex3D Studio 2021 tích hợp CADdoctor để tối ưu hóa hình học lưới Boundary Layer Mesh (BLM).
  • Vật liệu chế tạo khuôn: Hợp kim nhôm A6061-T6 (Độ cứng $95\text{ HB}$, độ bền kéo $\sigma_b = 310\text{ MPa}$, mật độ $2.70\text{ g/cm}^3$) cho toàn bộ vỏ khuôn và tấm lòng khuôn; thép hợp kim S50C/SKD61 nhiệt luyện cho chốt xiên và ray dẫn hướng.
# Thuật toán tính toán thông số động học Chốt xiên (Angular Pin) & Slider
import math

def calculate_slider_kinematics(undercut_depth, safety_margin=3.0, pin_angle_deg=20.0):
    """
    Tính toán hành trình trượt và chiều dài hoạt động của chốt xiên.
    """
    stroke_required = undercut_depth + safety_margin  # Hành trình cần thiết (mm)
    pin_angle_rad = math.radians(pin_angle_deg)
    
    # Khoảng mở khuôn tối thiểu để slider rút hết
    mold_open_stroke = stroke_required / math.tan(pin_angle_rad)
    # Chiều dài làm việc tối thiểu của chốt xiên trong tấm Core
    working_pin_length = stroke_required / math.sin(pin_angle_rad)
    
    return {
        "Hành trình trượt S_w (mm)": round(stroke_required, 2),
        "Khoảng mở khuôn H (mm)": round(mold_open_stroke, 2),
        "Chiều dài làm việc chốt L_w (mm)": round(working_pin_length, 2)
    }

# Áp dụng cho undercut sản phẩm móc treo sâu 5.5mm
kinematics = calculate_slider_kinematics(undercut_depth=5.5, safety_margin=3.0, pin_angle_deg=20.0)
print(kinematics)
# Kết quả: S_w = 8.5 mm; H = 23.35 mm; L_w = 24.85 mm

+-------------------------------------------------------------+
|               THIẾT KẾ KÍCH THƯỚC BỘ KHUÔN 3 TẤM            |
|                                                             |
|           +----------------------------------+              |
|           | Tấm kẹp trên (Fixed Plate): 20mm |              |
|           +----------------------------------+              |
|           | Tấm tách kênh dẫn (Stripper):15mm|              |
|           +----------------------------------+              |
|           | Tấm khuôn âm (Cavity Plate): 35mm|              |
|           +----------------------------------+              |
|           | Tấm khuôn dương (Core Plate):35mm| [Slider 20°] |
|           +----------------------------------+              |
|           | Tấm đệm gối đỡ (Spacer Blocks)   |              |
|           |                80mm              | [Hệ đẩy 25mm]|
|           +----------------------------------+              |
|           | Tấm kẹp dưới (Clamping Plate):20mm|             |
|           +----------------------------------+              |
|                                                             |
|           KÍCH THƯỚC TỔNG THỂ: 200 x 200 x 240 mm           |
+-------------------------------------------------------------+

Methodology

Dự án áp dụng phương pháp luận kết hợp CAD/CAE/CAM/CNC Khép Kín:

  1. Thiết kế tham số hóa (Parametric Design): Xây dựng mô hình 3D trên Creo Parametric 8.0, gán hệ số co rút $S = 0.55%$ cho lòng khuôn theo công thức: $$D_{mold} = D_{part} \times (1 + S)$$
  2. Mô phỏng phần tử hữu hạn (CAE Analysis): Đánh giá số cổng phun (Gate location) tại 3 phương án vị trí khác nhau để tối ưu hóa trường nhiệt độ và áp suất điền đầy.
  3. Phân tích độ bền tĩnh (FEA Structural Analysis): Kiểm tra biến dạng tấm khuôn dưới áp lực kẹp $500\text{ kN}$ nhằm ngăn ngừa hiện tượng lóa nhựa (Flash).
  4. Gia công chế tạo & Đánh giá thực nghiệm: Lập trình gia công Mastercam/Creo CAM và gia công phay CNC thực tế.

Implementation và kết quả

Development process

Quy trình triển khai chế tạo khuôn trải qua các giai đoạn kỹ thuật nghiêm ngặt:

[Mô hình CAD 3D] --> [Mô phỏng Moldex3D] --> [Tách Core/Cavity/Slider]
        |
        v
[Xuất G-Code CNC] --> [Gia công Nhôm A6061-T6] --> [Nhiệt luyện Chốt SKD61]
        |
        v
[Lắp ráp Moldbase] --> [Thử nghiệm Động học 3 Khoảng Mở] --> [Nghiệm thu]
  • Giai đoạn thiết kế hệ thống tách khuôn: Sử dụng lệnh Silhouette Curve và Parting Surface trên Creo 8.0 để chia mặt phân khuôn chính và tách cụm khối trượt Slider Body độc lập.
  • Hệ thống dẫn hướng và định vị: Thiết kế 4 chốt dẫn hướng chính $\varnothing 16\text{ mm}$, 4 bạc dẫn hướng tôi cứng, kết hợp chốt hồi (Return Pin) $\varnothing 12\text{ mm}$ và khóa nêm (Locking Block) nghiêng $\beta = 22^\circ$ (lớn hơn góc chốt xiên $2^\circ$ để tránh bó kẹt khi khóa khuôn).
  • Lập trình gia công phay CNC: Thiết lập chu trình cắt G-code tối ưu hóa tốc độ bóc tách vật liệu (MRR) đối với nhôm A6061-T6:
(G-CODE PHAY TINH LONG KHUON CORE - MO HINH MOC TREO)
G21 G90 G40 G49 G80
T02 M06 (DAO PHAY CAU CARBIDE R2.0 - D4.0MM)
S8500 M03
G54 G00 X-25.0 Y15.0
G43 H02 Z10.0 M08
Z2.0
G01 Z-1.25 F800
G03 X-15.0 Y25.0 R10.0 F1800
G01 X15.0 Y25.0
G02 X25.0 Y15.0 R10.0
G01 X25.0 Y-15.0
G03 X15.0 Y-25.0 R10.0
G01 X-15.0 Y-25.0
G02 X-25.0 Y-15.0 R10.0
G01 Y15.0
G00 Z20.0 M09
M05
G91 G28 Z0.
M30

Testing và validation

Quá trình mô phỏng động học trên Moldex3D Studio 2021 với vật liệu ABS (Chi Mei POLYLAC PA-757) tại nhiệt độ nóng chảy $230^\circ\text{C}$ và nhiệt độ khuôn $60^\circ\text{C}$ mang lại kết quả định lượng:

Thông số mô phỏng CAE Phương án 1 Gate (Đầu móc) Phương án 2 Gate (Cạnh bên) Phương án 3 Pin-point (Lưng móc - Lựa chọn)
Thời gian điền đầy (Melt Front Time) $0.82\text{ s}$ $0.65\text{ s}$ $0.48\text{ s}$ (Nhanh hơn $41.4%$)
Áp suất phun cực đại (Injection Pressure) $58.4\text{ MPa}$ $44.2\text{ MPa}$ $32.6\text{ MPa}$ (Giảm $44.1%$)
Lực kẹp khuôn yêu cầu (Clamping Force) $38.2\text{ tấn}$ $28.5\text{ tấn}$ $18.4\text{ tấn}$ (Tiết kiệm năng lượng)
Khuyết tật bọt khí (Air Traps) Tập trung tại ngàm móc Xuất hiện ở 3 vị trí thân Được đẩy hoàn toàn ra đường thoát khí mặt phân khuôn
Độ biến dạng cong vênh (Total Warpage) $0.58\text{ mm}$ $0.42\text{ mm}$ $0.21\text{ mm}$ (Đạt chuẩn dung sai) 
BIỂU ĐỒ PHÂN BỐ ÁP SUẤT VÀ THỜI GIAN ĐIỀN ĐẦY (MOLDEX3D)
Áp suất (MPa)
  60 |   [PA1: 58.4 MPa]
  50 |          \
  40 |           --> [PA2: 44.2 MPa]
  30 |                     \
  20 |                      ---> [PA3 Tối ưu: 32.6 MPa]
  10 |__________________________________________________
     0.0s        0.2s        0.4s        0.6s        0.8s (Thời gian)

Kết quả đạt được

  1. Độ chính xác kích thước: Kích thước tổng thể bộ khuôn đạt $200 \pm 0.02\text{ mm} \times 200 \pm 0.02\text{ mm} \times 240 \pm 0.03\text{ mm}$, độ nhám bề mặt lòng khuôn sau đánh bóng đạt $Ra = 0.2\text{ }\mu\text{m}$.
  2. Kiểm chứng chuyển động cơ học: Hệ thống 3 khoảng mở hoạt động tuần tự trơn tru:
    • Khoảng mở 1 ($15\text{ mm}$): Tấm tách kéo đứt miệng phun pin-point khỏi sản phẩm.
    • Khoảng mở 2 ($80\text{ mm}$): Chốt giựt đuôi keo kéo runner rơi tự do ra khỏi khuôn.
    • Khoảng mở 3 ($100\text{ mm}$): Mặt phân khuôn chính mở, chốt xiên dẫn hướng slider mở $8.5\text{ mm}$, hệ thống ty đẩy đưa sản phẩm ra ngoài an toàn.

Đổi mới và đóng góp

  • Tối ưu hóa cơ cấu Slider tích hợp gọn: Khắc phục nhược điểm cồng kềnh của khuôn cơ khí truyền thống bằng cách tích hợp khối nêm định vị trực tiếp trên tấm Cavity với góc vát $\beta = 22^\circ$, giúp khóa chặt slider trước áp lực ép ngang mà không cần xilanh phụ trợ.
  • Cải tiến hiệu suất nhiệt: Ứng dụng vật liệu nhôm A6061-T6 có hệ số dẫn nhiệt $k = 167\text{ W/m}\cdot\text{K}$ (gấp 3.5 lần thép S50C thông thường $k \approx 48\text{ W/m}\cdot\text{K}$), giúp rút ngắn thời gian làm mát từ $14.5\text{ s}$ xuống còn $7.2\text{ s}$ ($50.3%$).
  • Đóng góp học thuật và đào tạo: Cung cấp bộ hồ sơ thiết kế hoàn chỉnh chuẩn công nghiệp (Bản vẽ 2D AutoCAD, mô hình 3D Creo, mô phỏng Moldex3D và file gia công CNC) phục vụ công tác giảng dạy môn Thiết kế và Chế tạo khuôn mẫu tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy - HCMUTE.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Phân tích triển khai thực tế

Mô hình khuôn ba tấm có con trượt mở undercut ngoài có khả năng chuyển giao trực tiếp vào sản xuất công nghiệp cho các dòng sản phẩm tiêu dùng gia dụng:

  • Ngữ cảnh sử dụng: Móc dán tường chịu tải $2.0 - 5.0\text{ kg}$, móc treo đồ chơi, kẹp đỡ dây cáp thông minh, vỏ hộp điện tử có ngàm bấm bên ngoài.
  • Yêu cầu lắp đặt máy ép: Tương thích với các dòng máy ép phun nhựa đứng hoặc ngang cỡ nhỏ và vừa từ $50\text{ tấn}$ đến $80\text{ tấn}$ (như Sumitomo, Nissei, Haitian).
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                       PHÂN TÍCH TÀI CHÍNH VÀ HOÀN VỐN (ROI)                   |
|                                                                               |
| - Chi phí chế tạo khuôn mẫu nhôm thực nghiệm:          ~18,500,000 VNĐ        |
| - Chi phí nguyên liệu hạt nhựa ABS nguyên sinh:         ~48,000 VNĐ/kg        |
| - Giá thành sản xuất ước tính/sản phẩm (kèm điện, NC):  ~1,450 VNĐ/chiếc      |
| - Giá bán sỉ dự kiến ra thị trường:                    ~4,000 VNĐ/chiếc      |
| - Điểm hòa vốn sản xuất (Break-even Volume):           ~7,250 sản phẩm       |
| - Thời gian thu hồi vốn đầu tư (sản lượng 500 sp/ngày): ~15 - 20 ngày         |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  1. Độ bền khuôn nhôm: Vật liệu nhôm A6061-T6 có độ cứng bề mặt thấp ($95\text{ HB}$), dễ bị xước tại vị trí trượt nếu không bôi trơn định kỳ; tuổi thọ khuôn ước tính khoảng $50,000 - 100,000$ shot, thấp hơn thép SKD61 ($> 500,000$ shot).
  2. Giới hạn số lòng khuôn: Mô hình hiện tại chỉ thiết kế 2 cavity đối xứng, chưa tối ưu hóa sản lượng cho quy mô hàng triệu sản phẩm/tháng.

Hướng phát triển

  • Gia nhiệt và làm mát bảo toàn biên dạng (Conformal Cooling): Ứng dụng công nghệ in 3D kim loại SLM (Selective Laser Melting) để tạo các kênh làm mát uốn lượn theo biên dạng con trượt slider.
  • Nâng cấp vật liệu công nghiệp: Chuyển đổi lòng khuôn sang thép NAK80 hoặc SKD11 tôi chân không ($52 - 55\text{ HRC}$) để triển khai sản xuất hàng loạt tốc độ cao.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên ngành Cơ khí/Chế tạo máy: Tiếp cận trực quan quy trình thiết kế khuôn 3 tấm và động học con trượt qua mô hình thực tế thay vì lý thuyết trừu tượng.
  • Kỹ sư thiết kế khuôn mẫu (Tooling Engineers): Tham khảo quy trình tích hợp giữa CAD (Creo 8.0/EMX) và CAE (Moldex3D) để loại bỏ khuyết tật khuôn ngay từ pha thiết kế ban đầu.
  • Doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs): Giải pháp khuôn nhôm nhanh (Rapid Tooling) giúp rút ngắn thời gian thử nghiệm sản phẩm mới từ 8 tuần xuống còn 10 ngày với chi phí tiết kiệm trên $60%$.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lại chọn khuôn 3 tấm thay vì khuôn 2 tấm có cơ cấu kéo ngầm?

Khuôn 3 tấm cho phép sử dụng miệng phun điểm chốt (Pin-point gate) bố trí linh hoạt ở mặt sau hoặc lưng sản phẩm, tự động bẻ đứt đuôi keo khi mở khuôn mà không để lại dấu vết bavia lớn trên bề mặt làm việc.

2. Góc nghiêng của chốt xiên ($\alpha$) được giới hạn trong khoảng nào và tại sao chọn $20^\circ$?

Góc nghiêng chốt xiên tiêu chuẩn dao động từ $10^\circ$ đến $25^\circ$. Nếu $\alpha < 10^\circ$, hành trình mở khuôn đòi hỏi rất lớn; nếu $\alpha > 25^\circ$, lực uốn tác dụng lên chốt xiên sẽ tăng vọt gây cong gãy. Góc $\alpha = 20^\circ$ là điểm cân bằng tối ưu giữa hành trình mở khuôn ($23.35\text{ mm}$) và độ bền chịu lực.

3. Làm thế nào để ngăn chặn hiện tượng trượt lệch của Slider khi áp lực phun lên đến cực đại?

Hệ thống sử dụng khóa nêm (Locking Block) vát góc $\beta = 22^\circ$ tì chặt vào lưng Slider Body khi khuôn đóng hoàn toàn. Lực khóa nêm sẽ triệt tiêu toàn bộ áp lực thủy lực của dòng nhựa nóng mà không truyền lực bẻ gãy vào chốt xiên.

4. Nhựa ABS có cần sấy trước khi đưa vào phễu nạp máy ép phun không?

Có. Nhựa ABS có tính hút ẩm ($0.2% - 0.4%$). Cần sấy hạt nhựa ở nhiệt độ $80^\circ\text{C} - 85^\circ\text{C}$ trong thời gian từ 2 đến 4 giờ trước khi ép để tránh hiện tượng sọc bạc (Silver Streaks) và bọt khí trên sản phẩm.

5. Chi phí bảo dưỡng hệ thống Slider định kỳ bao gồm những gì?

Bảo dưỡng định kỳ bao gồm kiểm tra bôi trơn mỡ chịu nhiệt mỡ đồng/Graphite trên rãnh trượt, kiểm tra độ mòn của tấm chống mài mòn (Wear Plate) và kiểm tra độ rơ của chốt định vị lò xo giữ con trượt.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo mô hình bộ khuôn phun ép ba tấm móc treo tường có slider để mở undercut ngoài" đã giải quyết triệt để bài toán công nghệ trong gia công sản phẩm nhựa có hình học phức tạp. Bằng cách ứng dụng chuỗi giải pháp toàn diện từ phân tích CAE trên Moldex3D Studio 2021, mô hình hóa tham số trên Creo Parametric 8.0 EMX, đến chế tạo thực tế trên máy CNC với vật liệu A6061-T6, nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi vượt trội với độ chính xác gia công đạt chuẩn $0.02\text{ mm}$ và độ cong vênh kiểm soát ở mức $0.21\text{ mm}$. Đây không chỉ là tài liệu học thuật giá trị cao cho sinh viên kỹ thuật mà còn là nền tảng kỹ thuật vững chắc để ứng dụng vào sản xuất khuôn mẫu công nghiệp hiện đại.