Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Ngành công nghiệp gia công chất dẻo và chế tạo khuôn mẫu đóng vai trò thiết yếu trong việc đa dạng hóa sản phẩm nhựa trên thị trường, hạ giá thành và nâng cao năng lực cạnh tranh cho doanh nghiệp. Tại Việt Nam, xu hướng phát triển công nghệ sản xuất khuôn mẫu kỹ thuật cao đòi hỏi việc ứng dụng các giải pháp phần mềm hiện đại vào thiết kế và gia công cơ khí chính xác.

Đề tài "Thiết kế, chế tạo khuôn ép nhựa mô hình tòa nhà trung tâm" được nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh thực hiện nhằm vận dụng các kiến thức chuyên ngành về công nghệ ép phun, thiết kế CAD/CAM/CAE vào việc sản xuất một sản phẩm cụ thể mang tính biểu trưng: Mô hình Tòa nhà Trung tâm của nhà trường (công trình khánh thành ngày 19/11/2011 nhân kỷ niệm 50 năm thành lập trường, gồm khối lớp học 4 tầng, khối phòng thí nghiệm 4 tầng và khối hành chính 12 tầng).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Đồ án xác định 3 mục tiêu cốt lõi:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về vật liệu polymer và phân tích dòng chảy nhựa trong khuôn ép.
  2. Thiết kế hoàn chỉnh sản phẩm và bộ khuôn ép nhựa bằng sự hỗ trợ của các phần mềm chuyên dụng (Creo Parametric 3.0, Moldflow Insight 2013, Expert Moldbase Extension).
  3. Gia công, chế tạo các tấm khuôn và tiến hành lắp ráp, ép thử sản phẩm trên máy ép nhựa thực tế.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  • Khảo sát đặc tính vật liệu và công nghệ ép phun.
  • Dựng mô hình hình học 3D của sản phẩm Tòa nhà Trung tâm trên Creo Parametric 3.0.
  • Phân tích các thông số dòng chảy (thời gian điền đầy, áp suất, nhiệt độ, lực kẹp, co rút, rỗ khí, đường hàn) trên Autodesk Moldflow Insight 2013 để tối ưu hóa hệ thống kênh dẫn nhựa.
  • Thiết kế kết cấu bộ khuôn tiêu chuẩn trên module Creo Expert Moldbase Extension (EMX).
  • Lập quy trình công nghệ gia công chi tiết khuôn trên máy phay CNC MVC-955 và máy công cụ vạn năng từ phôi thép CT3.
  • Lắp ráp bộ khuôn hoàn chỉnh và tiến hành ép thử nghiệm trên máy ép nhựa SW-120B.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình tính toán, thiết kế, mô phỏng dòng chảy, gia công cơ khí và ép thử bộ khuôn ép nhựa 2 tấm dành cho sản phẩm mô hình đặc nguyên khối Tòa nhà Trung tâm.
  • Phạm vi vật liệu và thiết bị: Sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) để định hình sản phẩm; phôi thép kết cấu CT3 gia công khuôn; kiểm chứng thực nghiệm trên máy ép nhựa SW-120B tại xưởng cơ khí Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (thực hiện trong giai đoạn 2015 – 2016).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và công nghệ ứng dụng

Đồ án xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết cơ bản về vật liệu và công nghệ tạo hình chất dẻo:

  • Lý thuyết vật liệu Polymer: Bản chất phân tử, tính chất nhiệt dẻo và nhiệt rắn, các chỉ số cơ lý tính cơ bản (độ bền kéo, độ giãn dài, mô-đun đàn hồi $E$, độ dai va đập theo tiêu chuẩn Charpy, độ cứng Brinell, tỷ trọng, chỉ số nóng chảy MFI theo chuẩn ASTM D1238, độ co rút thể tích).
  • Cơ sở công nghệ ép phun: Nguyên lý hoạt động và tính toán các cụm chức năng trên máy ép phun (hệ thống thủy lực, hệ thống điện gia nhiệt, hệ thống làm mát/nguội khuôn, hệ thống phun với trục vít 3 vùng và van hồi tự mở, hệ thống kẹp khuôn, hệ thống điều khiển).
  • Lý thuyết kết cấu khuôn ép nhựa: Đặc điểm so sánh giữa khuôn hai tấm, khuôn ba tấm và khuôn sử dụng hệ thống kênh dẫn nóng (Hot Runner); các nguyên tắc cân bằng dòng chảy, tính toán cuống phun, kênh dẫn và miệng phun (gate).
Thông số kỹ thuật của nhựa ABS Giá trị trong văn bản
Trọng lượng riêng (Tỷ trọng) $1{,}05\text{ g/cm}^3$
Độ bền kéo ($\sigma_b$) $51\text{ MPa}$
Độ cứng Rockwell $116\text{ R}$
Nhiệt độ phá hủy nhiệt $310^\circ\text{C}$
Nhiệt độ gia công nóng chảy $200 - 280^\circ\text{C}$
Nhiệt độ làm việc của khuôn $40 - 85^\circ\text{C}$
Dải áp suất ép phun $600 - 1800\text{ bar}$

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả kết hợp đồng thời phương pháp phân tích lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm chế tạo:

  1. Phương pháp mô hình hóa hình học (CAD): Sử dụng phần mềm Creo Parametric 3.0 xây dựng biên dạng 3D chuẩn kích thước từ các lệnh khối (Extrude).
  2. Phương pháp phân tích kỹ thuật hỗ trợ máy tính (CAE): Ứng dụng Autodesk Moldflow Insight 2013 để chia lưới 3D sản phẩm, mô phỏng quá trình điền đầy dòng nhựa lỏng, dự báo các khuyết tật co rút, rỗ khí, đường hàn và tính toán áp suất, lực kẹp cần thiết.
  3. Phương pháp thiết kế khuôn tích hợp (EMX): Ứng dụng Expert Moldbase Extension thiết kế các tấm khuôn tiêu chuẩn, bố trí đường nước làm nguội, hệ thống chốt đẩy, chốt hồi và bạc dẫn hướng.
  4. Phương pháp chế tạo cơ khí chính xác (CAM/CNC): Lập quy trình công nghệ gia công chi tiết khuôn từ phôi thép CT3 sử dụng máy phay CNC MVC-955, đầu dò lệch tâm và máy phay vạn năng.
  5. Phương pháp thực nghiệm ép thử: Vận hành máy ép nhựa SW-120B với nguyên liệu hạt nhựa ABS để đánh giá khả năng điền đầy và ngoại quan sản phẩm.

Thiết kế kỹ thuật và triển khai chế tạo

Thiết kế sản phẩm và hệ thống cấp nhựa

Mô hình tòa nhà trung tâm được dựng hình 3D nguyên khối với đầy đủ các chi tiết đặc trưng (khối 12 tầng, khối 4 tầng, hệ thống cửa sổ). Thể tích và khối lượng được trích xuất trực tiếp từ Creo Parametric 3.0. Dựa trên hình dáng sản phẩm, nhóm chọn phương án bố trí 2 lòng khuôn đối xứng để cân bằng áp lực dòng chảy.

Đường kính kênh dẫn chính ($D_1$) được tính toán lý thuyết theo công thức phụ thuộc vào khối lượng cụm chi tiết và chiều dài kênh dẫn:

  • Tổng khối lượng sản phẩm cho 2 lòng khuôn: $W = 2 \times 120\text{ g} = 240\text{ g}$.
  • Chiều dài kênh dẫn chính: $L = 65\text{ mm}$.
  • Đường kính tính toán: $D_1 = 11{,}8\text{ mm} \rightarrow$ Quy chuẩn lựa chọn thiết kế: $D_1 = 12\text{ mm}$, tiết diện tròn để giảm thiểu tổn thất áp suất và nhiệt lượng.

Phân tích và tối ưu hóa trên CAE (Moldflow Insight 2013)

Quy trình mô phỏng số CAE giúp xác định vị trí cổng vào nhựa tối ưu, dự đoán biến dạng co rút và nhiệt độ phân bố trong quá trình định hình. Qua kết quả phân tích hệ thống kênh dẫn ban đầu, tác giả tiến hành tái thiết kế kênh dẫn lần 2 để tối ưu hóa thời gian điền đầy, giảm áp suất lòng khuôn và loại bỏ các bẫy khí cục bộ.

Kết cấu bộ khuôn và quy trình chế tạo

Bộ khuôn được thiết kế dạng khuôn hai tấm tiêu chuẩn với kết cấu cụ thể:

Cụm chi tiết khuôn Vật liệu & Thông số kỹ thuật Thiết bị gia công chính
Tấm kẹp trên Thép CT3 Máy phay vạn năng, máy phay CNC MVC-955
Tấm khuôn cố định (Khuôn cái) Thép CT3, gia công lòng khuôn Máy phay CNC MVC-955, dao phay ngón
Tấm khuôn di động (Khuôn đực) Thép CT3, gia công lõi khuôn Máy phay CNC MVC-955, dao phay ngón
Gối đỡ, Tấm giữ, Tấm đẩy Thép CT3 Máy phay vạn năng, máy khoan
Tấm kẹp dưới Thép CT3 Máy phay vạn năng
Chi tiết tiêu chuẩn dẫn hướng & đẩy Chốt hồi $\varnothing12\text{ mm}$, Ti đẩy $\varnothing4\text{ mm}$ Lắp ráp theo tiêu chuẩn EMX
Bạc cuống phun & Vòng định vị Chi tiết tiêu chuẩn Định tâm trực tiếp với đầu vòi phun máy ép

Thử nghiệm ép phun thực tế

Quá trình ép thử nghiệm được tiến hành trên máy ép nhựa SW-120B. Hạt nhựa ABS được sấy khô và gia nhiệt trong phễu/khoang chứa theo dải nhiệt độ $200 - 280^\circ\text{C}$. Máy thực hiện chu kỳ kẹp khuôn, tịnh tiến trục vít đẩy nhựa lỏng điền đầy 2 lòng khuôn, làm nguội thông qua hệ thống đường nước tuần hoàn và mở khuôn để lấy sản phẩm ra ngoài.

Nội dung chính theo từng chương

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chương này phân tích tính cấp thiết của ngành công nghiệp khuôn mẫu trong sản xuất hiện đại; trình bày ý nghĩa khoa học trong việc làm chủ quy trình thiết kế khuôn nhựa và ý nghĩa thực tiễn đối với việc tạo ra sản phẩm quà lưu niệm mô hình Tòa nhà Trung tâm Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; xác định rõ mục tiêu, phương pháp tiếp cận và kết cấu 8 chương của đồ án.

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CHẤT DẺO POLYMER CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHUÔN ÉP NHỰA

Chương 2 hệ thống hóa lý thuyết về vật liệu chất dẻo (khái niệm polymer, cấu trúc mạch thẳng/nhánh/không gian, phân loại nhựa nhiệt dẻo và nhiệt rắn, các chỉ tiêu cơ lý như độ bền kéo, va đập Charpy, độ co rút, nhiệt độ phá hủy). Đồng thời, chương trình bày chi tiết các phương pháp gia công polymer (cán, phủ, đùn, thổi rỗng, hàn, dán, ép, dập) và giải thích cấu tạo 4 hệ thống máy ép phun (thủy lực, điện, làm nguội, phun, kẹp, điều khiển) cùng cấu trúc các loại khuôn 2 tấm, 3 tấm, kênh dẫn nóng.

CHƢƠNG 3: QUY TRÌNH THẾT KẾ SẢN PHẨM VÀ HỆ THỐNG KÊNH DẪN NHỰA

Chương này giới thiệu lịch sử phát triển của trường và công trình Tòa nhà Trung tâm. Tác giả trình bày các bước tạo hình sản phẩm 3D trên Creo Parametric 3.0; phân tích lý do lựa chọn nhựa ABS dựa trên cơ tính ($\sigma_b = 51\text{ MPa}$, độ cứng Rockwell 116, tỷ trọng $1{,}05\text{ g/cm}^3$); tính toán thể tích, khối lượng chi tiết ($W = 240\text{ g}$ cho 2 sản phẩm) và xác định kích thước kênh dẫn chính $D_1 = 12\text{ mm}$, bố trí 2 lòng khuôn đối xứng.

CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH CAE CHO SẢN PHẨM

Chương 4 tập trung vào ứng dụng CAE thông qua Autodesk Moldflow Insight 2013: chia lưới mô hình 3D, tìm vị trí miệng phun tối ưu, mô phỏng thời gian điền đầy, áp suất phun, phân bố nhiệt độ, áp suất lòng khuôn, lực kẹp máy ép, phân tích đường hàn (weld lines) và bẫy khí (air traps). Trên cơ sở kết quả mô phỏng ban đầu, tác giả tiến hành tối ưu hóa thiết kế hệ thống kênh dẫn lần 2 nhằm cải thiện chất lượng điền đầy.

CHƢƠNG 5: LẮP RÁP KHUÔN VÀ ỨNG DỤNG EMX

Chương 5 trình bày việc tính toán kết cấu toàn bộ bộ khuôn ép: xác định bạc cuống phun, chốt dẫn hướng, bạc dẫn hướng, thiết kế hệ thống làm nguội cho tấm khuôn trên và tấm khuôn dưới, thiết kế hệ thống đẩy (chốt hồi $\varnothing12\text{ mm}$, ty đẩy $\varnothing4\text{ mm}$) và áp dụng module Creo Expert Moldbase Extension (EMX 8.0/9.0) để tạo lập mô hình lắp ráp bộ khuôn hoàn chỉnh.

CHƢƠNG 6: GIA CÔNG CÁC TẤM KHUÔN VÀ LẮP RÁP

Chương 6 lập bảng quy trình công nghệ chi tiết cho từng chi tiết khuôn từ phôi thép kết cấu CT3: tấm kẹp trên, tấm khuôn cố định, tấm khuôn di động, gối đỡ, tấm giữ, tấm đẩy, tấm kẹp dưới. Nội dung nêu rõ việc sử dụng máy phay CNC MVC-955, máy phay vạn năng, dao phay và đầu dò lệch tâm; kết thúc bằng quy trình chuẩn bị và lắp ráp hoàn chỉnh cụm khuôn cố định và cụm khuôn di động.

CHƢƠNG 7: ÉP THỬ

Chương 7 mô tả công tác chuẩn bị trước khi ép (sấy hạt nhựa ABS, kiểm tra hệ thống điện - thủy lực - làm mát của máy ép SW-120B); thiết lập các thông số công nghệ (nhiệt độ nung liệu, áp suất phun, áp suất kẹp, thời gian giữ áp và làm nguội); thực hiện quy trình ép thử nghiệm và thu nhận sản phẩm thực tế để kiểm tra ngoại quan.

CHƢƠNG 8: KẾT LUẬN

Chương 8 tổng kết toàn bộ quá trình thiết kế, gia công và ép thử bộ khuôn; đúc kết các bài học kinh nghiệm thực tiễn về cơ khí chế tạo và công nghệ khuôn mẫu; thẳng thắn chỉ ra hạn chế của bộ khuôn hiện tại và đề xuất hướng phát triển tự động hóa.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Hoàn thiện thiết kế CAD/CAE/CAM: Thiết lập mô hình 3D sản phẩm Tòa nhà Trung tâm trên Creo Parametric 3.0; mô phỏng dòng chảy nhựa chính xác trên Moldflow Insight 2013 giúp tối ưu hóa hệ thống kênh dẫn ($D_1 = 12\text{ mm}$, 2 lòng khuôn đối xứng); xuất bản vẽ kết cấu khuôn qua EMX.
  2. Chế tạo thành công bộ khuôn cơ khí: Gia công hoàn chỉnh các tấm khuôn (tấm kẹp, tấm cố định, tấm di động, gối đỡ, tấm giữ, tấm đẩy) từ phôi thép CT3 bằng máy phay CNC MVC-955 và máy phay vạn năng; lắp ráp ăn khớp các cụm chi tiết dẫn hướng, chốt hồi $\varnothing12\text{ mm}$, ty đẩy $\varnothing4\text{ mm}$.
  3. Thực nghiệm ép ra sản phẩm: Vận hành thành công máy ép SW-120B với nhựa ABS, ép ra sản phẩm mô hình đúng biên dạng hình học và đạt yêu cầu độ bóng, độ cứng theo thiết kế ban đầu.

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  • Sử dụng phương án bố trí 2 lòng khuôn đối xứng trục nhằm đảm bảo độ cân bằng áp suất dòng chảy trong quá trình điền đầy.
  • Áp dụng kết hợp giữa phân tích mô phỏng Moldflow và công cụ EMX để rút ngắn chu kỳ thiết kế cơ khí và giảm thiểu sai sót trước khi gia công thực tế.

Đóng góp của đồ án

  • Tác giả tự nêu việc hoàn thành đồ án giúp hệ thống hóa và làm chủ chuỗi công nghệ khép kín: Thiết kế sản phẩm $\rightarrow$ Mô phỏng dòng chảy $\rightarrow$ Thiết kế bộ khuôn tiêu chuẩn $\rightarrow$ Lập trình gia công CNC $\rightarrow$ Lắp ráp $\rightarrow$ Vận hành ép phun thực tế.
  • Tạo ra sản phẩm mô hình Tòa nhà Trung tâm mang giá trị lưu niệm, quảng bá hình ảnh Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM với chi phí sản xuất thấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo

Hạn chế thực tế của bộ khuôn

  • Do sản phẩm mô hình tòa nhà đòi hỏi tính thẩm mỹ bề mặt rất cao, thiết kế không thể bố trí các ty đẩy tác động trực tiếp lên bề mặt hiển thị của sản phẩm. Điều này dẫn đến hiện tượng sản phẩm bị giữ lại trong lòng khuôn và khó rơi/thoát ra ngoài một cách tự nhiên sau khi mở khuôn.

Hướng nghiên cứu và phát triển

  • Tác giả đề xuất cần nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bổ sung hệ thống gắp lấy sản phẩm tự động bằng cánh tay robot (nhánh tay robot) tích hợp cùng máy ép nhựa nhằm giải quyết triệt để vấn đề thoát khuôn mà vẫn đảm bảo tính thẩm mỹ tuyệt đối cho chi tiết.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn rõ nét cho các đối tượng:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Cơ điện tử: Tham khảo tài liệu quy trình thiết kế khuôn ép nhựa chuẩn từ khâu tính toán lý thuyết dòng chảy, ứng dụng Moldflow phân tích CAE đến thiết kế EMX.
  • Kỹ sư và người làm đề tài khuôn mẫu: Tham khảo các bảng thông số chế tạo, trình tự lập quy trình công nghệ gia công chi tiết khuôn trên máy phay CNC MVC-955 và máy phay vạn năng.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Chương 4 (Phân tích mô phỏng dòng chảy và tối ưu hệ thống kênh dẫn nhựa trên Moldflow Insight) và Chương 6 (Quy trình công nghệ gia công chi tiết từng tấm khuôn từ phôi thép CT3).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn nhựa ABS để chế tạo mô hình Tòa nhà Trung tâm?

Nhựa ABS được lựa chọn vì sở hữu cơ tính cân bằng tốt: độ bền kéo đạt $51\text{ MPa}$, độ cứng Rockwell $116\text{ R}$, chịu va đập tốt, độ ổn định kích thước cao, bề mặt sáng bóng láng mịn phù hợp với yêu cầu trưng bày thẩm mỹ cao, đồng thời có dải nhiệt độ gia công thuận lợi ($200 - 280^\circ\text{C}$) và giá thành nguyên liệu hợp lý.

2. Đường kính kênh dẫn nhựa chính của bộ khuôn được tính toán bằng bao nhiêu?

Theo công thức tính toán lý thuyết với tổng khối lượng sản phẩm cho 2 lòng khuôn $W = 240\text{ g}$ và chiều dài kênh dẫn $L = 65\text{ mm}$, đường kính tính ra là $D_1 = 11{,}8\text{ mm}$. Tác giả đã quy chuẩn chọn kích thước thiết kế thực tế là $D_1 = 12\text{ mm}$ với tiết diện cắt ngang hình tròn.

3. Những thiết bị gia công cơ khí và máy ép phun nào được sử dụng trong đồ án?

Văn bản nêu rõ các thiết bị chế tạo bao gồm: máy phay CNC MVC-955, máy phay vạn năng, đầu dò lệch tâm dùng để rà xét chuẩn phôi, các loại dao phay ngón. Thiết bị ép thử nghiệm sản phẩm thực tế là máy ép nhựa model SW-120B.

4. Hệ thống đẩy và dẫn hướng của bộ khuôn sử dụng các chi tiết kích thước như thế nào?

Kết cấu khuôn sử dụng hệ thống chốt hồi đường kính $\varnothing12\text{ mm}$ để đưa hệ thống đẩy về vị trí ban đầu khi đóng khuôn, cùng hệ thống ty đẩy đường kính $\varnothing4\text{ mm}$ kết hợp với các chốt dẫn hướng và bạc dẫn hướng tiêu chuẩn tích hợp từ module EMX.

5. Nhược điểm lớn nhất được nhóm tác giả ghi nhận sau khi ép thử là gì?

Nhược điểm chính là sản phẩm khó rơi/thoát ra khỏi lòng khuôn sau chu kỳ ép. Nguyên nhân do yêu cầu thẩm mỹ cao nên không bố trí ty đẩy trực tiếp lên thân sản phẩm. Giải pháp được nhóm đề xuất là thiết kế thêm hệ thống tay robot tự động gắp sản phẩm.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế, chế tạo khuôn ép nhựa mô hình tòa nhà trung tâm" của nhóm sinh viên Hồ Xuân Quang, Phạm Ngọc Khuê, Nông Bình Định (Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã hoàn thành trọn vẹn chu trình kỹ thuật từ nghiên cứu vật liệu ABS, thiết kế CAD trên Creo Parametric 3.0, mô phỏng CAE trên Moldflow Insight 2013 đến gia công chế tạo thực tế trên máy phay CNC MVC-955 và ép thử thành công trên máy SW-120B. Công trình giải quyết tốt bài toán công nghệ khuôn 2 tấm hai lòng khuôn đối xứng, cung cấp các số liệu gia công cơ khí cụ thể từ phôi thép CT3. Tài liệu là nguồn tham khảo kỹ thuật chi tiết, mang tính ứng dụng thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành công nghệ khuôn mẫu và gia công cơ khí chính xác.