Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế tạo sản phẩm nhựa giữ vai trò quan trọng trong chuỗi cung ứng kỹ thuật, từ hàng gia dụng đến các chi tiết chính xác trong thiết bị điện tử, ô tô, máy khâu, khí tài và đồng hồ. Trong quy trình công nghệ ép phun nhựa, chu kỳ làm mát (giải nhiệt) của khuôn chiếm tỷ trọng lớn, dao động từ 60% đến 70% tổng thời gian một chu kỳ sản xuất. Hệ thống giải nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng chi tiết, năng suất chế tạo và giá thành sản phẩm. Sự phân bố nhiệt không đồng đều trên lòng khuôn thường dẫn đến các khuyết tật điển hình như cong vênh (warpage), co rút không đều, vết lõm bề mặt (sink mark), đường hàn (weldline) và rỗ khí.

Các bộ khuôn ép truyền thống sử dụng hệ thống kênh giải nhiệt hai chiều (2D) được gia công bằng phương pháp khoan lỗ thẳng. Cấu trúc đường khoan thẳng bộc lộ nhiều hạn chế về mặt hình học, không thể bám sát biên dạng phức tạp của lòng khuôn, tạo ra các vùng tập trung nhiệt cục bộ. Trước yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt của chi tiết truyền động như bánh răng trụ răng thẳng bằng nhựa kỹ thuật, việc áp dụng công nghệ in 3D kim loại để chế tạo tấm khuôn tích hợp kênh làm mát biên dạng ba chiều (3D conformal cooling) đặt ra tính cấp thiết thực tiễn. Đồ án tốt nghiệp mã số CTM-20 do nhóm tác giả thực hiện tập trung giải quyết bài toán thiết kế và chế tạo tấm khuôn âm cho chi tiết nhựa dạng bánh răng thông qua giải pháp in 3D kim loại kết hợp gia công cắt gọt.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể trong văn bản:

  1. Tìm hiểu tổng quan về công nghệ in 3D kim loại trong sản xuất; nghiên cứu cơ sở công nghệ hàn đắp và tổng hợp các ứng dụng in 3D kim loại cho khuôn ép phun nhựa.
  2. Thiết lập mô hình 3D cho chi tiết bánh răng và bộ khuôn ép bằng phần mềm thiết kế chuyên dụng (Creo 8.0, Autodesk Inventor).
  3. Mô phỏng động lực học dòng chảy và phân tích trường nhiệt độ trong khuôn bằng phần mềm ANSYS CFX nhằm so sánh hiệu quả giữa kênh giải nhiệt truyền thống 2D và kênh giải nhiệt 3D.
  4. Chế tạo tấm khuôn âm tích hợp đường nước 3D bằng phương pháp in 3D kim loại (kết hợp công nghệ hàn đắp MIG trên máy phay CNC).
  5. Lắp ráp hoàn chỉnh bộ khuôn và tiến hành thử nghiệm ép phun thực tế trên máy ép nhựa với vật liệu nhựa kỹ thuật; đánh giá đối chứng giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ in 3D kim loại bằng phương pháp hàn đắp kết hợp máy phay CNC; kết cấu bộ khuôn ép phun nhựa; hệ thống kênh làm mát 3D dạng xoắn bao quanh lòng khuôn cho chi tiết bánh răng trụ răng thẳng.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế chi tiết bánh răng có module $m = 2\text{ mm}$, số răng $z = 23$, bề dày $20\text{ mm}$; phạm vi phần mềm sử dụng bao gồm Creo 8.0, Autodesk Inventor, ANSYS CFX và Moldex/Moldflow; phạm vi thiết bị thực nghiệm gồm máy phay CNC HAMAI và máy ép phun nhựa Haitian MA1200III; vật liệu thử nghiệm là nhựa Polyamide (PA).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đề tài dựa trên nhiệt động lực học quá trình ép phun chất dẻo, lý thuyết truyền nhiệt trong khuôn kim loại và nguyên lý tạo hình đắp dần kim loại (Additive Manufacturing). Hệ thống giải nhiệt quyết định tốc độ làm nguội của nhựa từ nhiệt độ nóng chảy ban đầu xuống nhiệt độ mở khuôn. Về công nghệ in 3D kim loại, báo cáo hệ thống hóa các nhóm công nghệ thiêu kết/nóng chảy laser chọn lọc (DMLS, SLM), chùm tia điện tử (EBM), cán ép lớp (LOM) và công nghệ in 3D kim loại bằng phương pháp hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ (GMAW/MIG). Nguyên lý hàn MIG sử dụng dây hàn tự tiêu làm điện cực và khí trơ (Argon, Heli hoặc hỗn hợp Ar + 2% O₂) bảo vệ hồ quang, cho phép đắp từng lớp kim loại lên bề mặt gia công trước khi được cắt gọt định hình.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm sự kết hợp giữa mô phỏng số và thực nghiệm kỹ thuật:

  • Phương pháp phân tích tài liệu và tổng hợp lý thuyết: Khảo cứu các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống làm mát phù hợp (conformal cooling), công nghệ in StrongPrint (TIG) và máy in kim loại 888 (kết hợp MIG và máy phay).
  • Phương pháp mô hình hóa hình học (CAD): Ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor và Creo 8.0 để tính toán thông số hình học răng, thiết lập bản vẽ 3D bánh răng và kết cấu bộ khuôn mẫu chi tiết.
  • Phương pháp mô phỏng số (CAE/CFD): Sử dụng bộ giải ANSYS CFX để thiết lập bài toán truyền nhiệt phi ổn định tương tác giữa sản phẩm nhựa nóng chảy, khối kim loại thân khuôn và dòng môi chất nước làm mát chuyển động đối lưu trong kênh dẫn 2D và 3D.
  • Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Thực hiện quy trình gá đặt và hàn đắp kim loại trên máy phay CNC HAMAI để tạo phôi tấm khuôn âm có kênh dẫn rỗng bên trong; tiến hành gia công cơ khí chính xác các bề mặt lắp ghép.
  • Phương pháp kiểm nghiệm và đo lường: Lắp đặt khuôn lên máy ép MA1200III, thiết lập thông số công nghệ ép nhựa PA và kiểm tra ngoại quan sản phẩm (độ co ngót, cong vênh, vết lõm, bọt khí và đường hàn).

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án gồm thông số kích thước bánh răng do giảng viên hướng dẫn cung cấp, giáo trình Thiết kế và Chế tạo khuôn, các tài liệu kỹ thuật về thông số dây hàn MIG, bảng tra hệ số co rút vật liệu nhựa kỹ thuật và bảng thông số vận hành của máy ép nhựa MA1200III.

Thiết kế và triển khai

Thông số hình học chi tiết bánh răng

Sản phẩm ép phun là bánh răng trụ răng thẳng công nghiệp chế tạo từ nhựa Polyamide (PA). Các thông số hình học chính được tính toán và thiết lập trên bản vẽ CAD gồm:

Thông số hình học Ký hiệu Giá trị tính toán
Modul $m$ $2\text{ mm}$
Số răng $z$ $23$
Bước vòng $p$ $6,28\text{ mm}$ ($p = m \cdot \pi$)
Đường kính vòng chia $d$ $46\text{ mm}$ ($d = m \cdot z$)
Đường kính đỉnh răng $d_d$ $50\text{ mm}$ ($d_d = d + 2m$)
Đường kính chân răng $d_a$ $41,3\text{ mm}$ ($d_a = d - 2(m + c)$)
Chiều cao răng $h$ $4,334\text{ mm}$ ($h = 2m + c$)
Chiều cao đầu răng $h_a$ $2\text{ mm}$ ($h_a = m$)
Chiều cao chân răng $h_f$ $2,334\text{ mm}$ ($h_f = m + c$)
Khe hở đỉnh răng $c$ $0,334\text{ mm}$ ($c = 0,167 \cdot m$)
Bề dày thực nghiệm bánh răng $b$ $20\text{ mm}$

Kết cấu bộ khuôn ép nhựa

Bộ khuôn được thiết kế dưới dạng kết cấu hoàn chỉnh với các cụm chi tiết chức năng:

  • Hệ thống định vị và kẹp: Tấm kẹp trên, tấm kẹp dưới, vòng định vị, hai khối gối đỡ, bạc dẫn hướng và chốt dẫn hướng.
  • Hệ thống tạo hình: Tấm khuôn dương, tấm khuôn âm và phần lõi ghép (insert) chứa hốc khuôn bánh răng.
  • Hệ thống dẫn nhựa: Bạc cuống phun kết nối trực tiếp với đầu phun của máy ép.
  • Hệ thống đẩy sản phẩm: Tấm kẹp pin, tấm đẩy pin, cụm chốt đẩy và chốt hồi.
  • Hệ thống làm mát 3D: Đường nước giải nhiệt dạng xoắn ốc (spiral conformal cooling) bao quanh biên dạng lòng khuôn âm, duy trì khoảng cách đồng đều đến bề mặt tiếp xúc của bánh răng.

Mô phỏng trường nhiệt bằng ANSYS CFX

Quy trình mô phỏng trường nhiệt khuôn trong ANSYS CFX được tiến hành qua các bước kỹ thuật:

  1. Tạo miền hình học (Body) độc lập: Phân tách riêng biệt các miền chất rắn (khuôn thép, insert lòng khuôn, sản phẩm nhựa) và miền chất lỏng (dòng nước làm mát). Khai báo các mặt phân giới tiếp xúc chuyên biệt pipe_interface (giữa đường ống và khuôn) và water_interface (giữa dòng nước và thành ống dẫn).
  2. Chia lưới phần tử hữu hạn (Meshing): Ứng dụng thuật ngữ chia lưới cục bộ theo vùng tiếp xúc. Các vị trí biên truyền nhiệt quan trọng (thành lòng khuôn, bề mặt tiếp giáp môi chất làm mát) được làm mịn với kích thước phần tử nhỏ; các khu vực khối khuôn đồng nhất được chia lưới lớn dần để tối ưu thời gian tính toán.
  3. Thiết lập điều kiện biên và thông số vận hành:
    • Tổng thời gian mô phỏng: $10\text{ s}$, bước thời gian giải (time step): $1\text{ s}$.
    • Nhiệt độ sản phẩm nhựa nóng chảy ban đầu: $300^\circ\text{C}$ (thiết lập ban đầu trong phần mềm) và $250^\circ\text{C}$ (trạng thái điền đầy trong bảng khảo sát).
    • Nhiệt độ ban đầu của khối khuôn: $80^\circ\text{C}$.
    • Nhiệt độ ban đầu của nước làm mát: $25^\circ\text{C}$.
    • Nhiệt độ nước cấp đầu vào (Inlet): $25^\circ\text{C}$.
    • Nhiệt độ môi trường không khí xung quanh vách ngoài (Wall): $25^\circ\text{C}$.

Chế tạo và lắp ráp thực nghiệm

Tấm khuôn âm mang kênh nước 3D được chế tạo thông qua giải pháp tích hợp công nghệ hàn đắp kim loại MIG trên máy phay CNC HAMAI. Phôi tấm được gá trên bàn máy CNC, sử dụng dây hàn chuyên dụng đắp từng lớp kim loại định hình kênh rỗng bên trong theo quỹ đạo lập trình, sau đó thực hiện phay biên dạng hốc insert. Sau khi chế tạo hoàn thiện, các chi tiết được lắp ráp tuần tự: lắp chốt đẩy và chốt hồi vào tấm giữ, lắp cụm tấm đẩy vào tấm kẹp dưới có đệm gối đỡ, cố định cụm khuôn âm, lắp insert bánh răng, kết nối cụm khuôn dương cùng tấm kẹp trên và bạc cuống phun. Bộ khuôn hoàn thiện được gá đặt lên máy ép nhựa Haitian MA1200III, kết nối với hệ thống cấp nước giải nhiệt và phễu nạp hạt nhựa PA để tiến hành thực nghiệm ép mẫu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ sự mở rộng của ngành công nghiệp ép phun nhựa kỹ thuật và yêu cầu rút ngắn chu kỳ sản xuất thông qua hệ thống làm mát tối ưu. Tác giả xác định mục tiêu tổng thể là nghiên cứu ứng dụng in 3D kim loại trong chế tạo tấm khuôn âm tích hợp đường nước 3D cho chi tiết bánh răng. Chương này nêu rõ đối tượng nghiên cứu (công nghệ in 3D kim loại dạng hàn đắp kết hợp CNC, khuôn ép nhựa giải nhiệt 3D) cùng phạm vi nghiên cứu cụ thể về phần mềm (Creo, ANSYS, Autodesk Inventor) và thiết bị thực nghiệm. Đồng thời, chương 1 phác thảo phương pháp luận nghiên cứu gồm nghiên cứu tài liệu, mô hình hóa CAD, mô phỏng số CFD/CAE và phương pháp thực nghiệm chế tạo - kiểm nghiệm.

Chương 2: Tổng quan

Chương 2 cung cấp cơ sở lý luận toàn diện về công nghệ in 3D kim loại và công nghệ khuôn phun ép nhựa:

  • Đánh giá các phương pháp tạo hình kim loại: DMLS, SLM, EBM, LOM và công nghệ hàn đắp (MIG/GMAW). So sánh các giải pháp quốc tế như thiết bị StrongPrint và máy in 888. Phân tích ưu điểm (tốc độ cao, chi phí thiết bị và vật liệu thấp, linh hoạt) cùng nhược điểm (độ nhám bề mặt lớn, yêu cầu gia công hoàn thiện, ứng suất dư nhiệt).
  • Phân tích nguyên lý hàn MIG trong môi trường khí trơ bảo vệ, tác động của hồ quang, dây hàn và các chế độ dịch chuyển kim loại lỏng.
  • Làm rõ các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt đối với chi tiết bánh răng nhựa ép phun: sự biến thiên kích thước do độ ngót thể tích, hiện tượng giãn nở nhiệt, tính hút ẩm của vật liệu Polyamide và nguy cơ cắt chân răng khi số răng ít.
  • Phân tích cơ chế phát sinh các khuyết tật điển hình trong quá trình làm nguội: cong vênh do co ngót dị hướng, vết lõm bề mặt (sink mark) tại các vùng thành dày, rỗ khí do bọt khí không thoát kịp và vết hàn (weldline).
  • Tổng hợp các kết quả nghiên cứu đối chứng giữa bốn dạng kênh làm mát (đường kính $20\text{ mm}$): kênh thẳng thông thường, kênh thông thường có vách ngăn, kênh làm mát phù hợp có vách ngăn và kênh làm mát phù hợp (3D conformal).
Loại kênh làm mát (đường kính $20\text{ mm}$) Thời gian làm nguội đông đặc (giây) Tỷ lệ giảm chu kỳ làm mát so với kênh thông thường (%) Tỷ lệ xuất hiện vết lõm bề mặt (%)
Kênh thẳng thông thường $285,90$ Cơ sở đối chứng ($0%$) $4,297%$
Kênh thông thường có vách ngăn $103,90$ Giảm gần $63%$ $4,297%$
Kênh phù hợp có vách ngăn $95,30$ Giảm $66,67%$ $4,503%$
Kênh làm mát phù hợp (3D conformal) $89,67$ Giảm $68,63%$ $4,190%$

Chương 3: Quy trình thiết kế và mô phỏng kênh giải nhiệt dạng 3D và chế tạo khuôn phun ép nhựa

Chương 3 là trọng tâm kỹ thuật của đồ án, bao gồm các nội dung:

  • Trình bày tổng quan về năng lực tính toán dòng chảy và truyền nhiệt của ANSYS CFX trong môi trường ANSYS Workbench.
  • Tính toán đầy đủ 11 thông số hình học của bánh răng công nghiệp ($m = 2$, $z = 23$, bề dày $20\text{ mm}$) và thiết lập mô hình 3D trong Creo 8.0.
  • Thực hiện chia lưới và gán điều kiện biên mô phỏng nhiệt độ khuôn có kênh dẫn 3D: bước thời gian $1\text{ s}$, thời gian $10\text{ s}$, nhiệt độ khuôn ban đầu $80^\circ\text{C}$, nước cấp vào $25^\circ\text{C}$, nhiệt độ không khí $25^\circ\text{C}$.
  • Phân tích động thái phân bố nhiệt theo từng mốc thời gian: ở trạng thái ban đầu, nhựa ở $250^\circ\text{C}$ và khuôn ở $80^\circ\text{C}$; tại giây thứ 1, nhựa giảm xuống $230^\circ\text{C}$, rìa khuôn insert đạt $160^\circ\text{C}$; tại giây thứ 2, rìa insert đạt trạng thái đồng màu nhiệt với thân khuôn; tại giây thứ 3, nhiệt độ khối nhựa hạ nhanh xuống $162^\circ\text{C}$.
  • Thiết kế kết cấu toàn bộ các chi tiết của bộ khuôn ép phun (tấm kẹp, bạc cuống phun, vòng định vị, chốt đẩy, tấm kẹp/đẩy pin, insert khuôn âm mang đường nước dạng xoắn ốc).
  • Thiết lập quy trình công nghệ chế tạo tấm khuôn âm bằng phương pháp hàn đắp kết hợp máy phay CNC HAMAI, thông số dây hàn và gá đặt phôi.

Chương 4: Lắp ráp và thử nghiệm khuôn

Chương 4 mô tả quy trình thực nghiệm tại xưởng:

  • Giới thiệu thông số thiết bị máy ép phun Haitian MA1200III và đặc tính nguyên liệu hạt nhựa kỹ thuật Polyamide (PA).
  • Quy trình lắp ráp bộ khuôn theo trình tự kỹ thuật 8 bước từ cụm chốt đẩy, tấm giữ, tấm khuôn âm, insert lòng khuôn, tấm khuôn dương cho đến tấm kẹp trên và vòng định vị.
  • Lắp đặt bộ khuôn lên bàn máy ép MA1200III, kết nối các đầu nối nhanh cho đường nước giải nhiệt 3D.
  • Cài đặt các thông số phun ép thực tế trên bảng điều khiển máy ép: nhiệt độ gia nhiệt hóa dẻo nhựa PA, áp suất phun, áp suất bảo áp, lượng lấy keo và thời gian làm mát.
  • Vận hành chu trình ép phun thử nghiệm, quan sát quá trình đóng mở khuôn, đẩy sản phẩm và thu thập mẫu bánh răng thực nghiệm. Nhận diện các khuyết tật ban đầu phát sinh để hiệu chỉnh thông số máy.

Chương 5: Đánh giá kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm

Chương 5 tiến hành đối chiếu toàn diện giữa dữ liệu số hóa từ mô phỏng CFD và sản phẩm ép thực tế:

  • So sánh hiệu quả giải nhiệt và phân bố trường nhiệt giữa khuôn sử dụng kênh làm mát 2D truyền thống và kênh 3D conformal. Kênh 3D giúp cân bằng gradient nhiệt tại khu vực đáy và thành răng, triệt tiêu các điểm nóng (hot spots) tích tụ nhiệt.
  • Đánh giá hình học và ngoại quan chi tiết bánh răng ép thực tế: kiểm tra sự điền đầy biên dạng đỉnh răng và chân răng, kiểm tra độ co rút thể tích và xác định mức độ suy giảm khuyết tật lõm bề mặt cũng như cong vênh.
  • Phân tích nguyên nhân sai lệch giữa thực nghiệm và mô phỏng, chủ yếu do ảnh hưởng của độ nhám bề mặt kênh in 3D và sự dao động nhiệt độ nước làm mát thực tế trong xưởng.

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được về mặt thiết kế, mô phỏng số và chế tạo thực nghiệm; chỉ ra các hạn chế tồn đọng trong quá trình gia công và đề xuất các giải pháp hoàn thiện công nghệ.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Về mô phỏng nhiệt: Kết quả phân tích trên ANSYS CFX chứng minh kênh giải nhiệt 3D dạng xoắn ốc hạ nhiệt độ khối nhựa từ $250^\circ\text{C}$ xuống $162^\circ\text{C}$ chỉ sau 3 giây đầu tiên của chu trình; vùng biên insert khuôn nhanh chóng ổn định nhiệt độ ở mức $160^\circ\text{C}$ sau 1 giây và đạt trạng thái đồng nhiệt với thân khuôn ở giây thứ 2. So với kênh thẳng truyền thống (thời gian đông đặc $285,90\text{ s}$ theo số liệu tổng quan), hệ thống kênh phù hợp giúp giảm thời gian làm mát xuống $89,67\text{ s}$ (rút ngắn $68,63%$) và hạ tỷ lệ khuyết tật lõm bề mặt xuống mức thấp nhất là $4,19%$.
  • Về chế tạo và thực nghiệm: Nhóm tác giả đã chế tạo thành công tấm khuôn âm tích hợp kênh dẫn 3D bằng phương pháp hàn đắp kết hợp máy phay CNC HAMAI; lắp ráp hoàn chỉnh bộ khuôn và vận hành ép thử nghiệm sản phẩm bánh răng PA trên máy ép Haitian MA1200III, tạo ra chi tiết bánh răng công nghiệp điền đầy hoàn chỉnh các thông số hình học ($z = 23$, $m = 2$, bề dày $20\text{ mm}$).

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Tối ưu hóa chế độ hàn đắp trên máy CNC để kiểm soát chiều dày lớp đắp, giảm thiểu khuyết tật bọt khí và rỗ xỉ bên trong kim loại đắp.
  • Hoàn thiện quy trình gia công cơ khí chính xác sau hàn nhằm nâng cao độ bóng bề mặt lòng khuôn và giảm ứng suất dư nhiệt.
  • Tích hợp thêm cảm biến áp suất và nhiệt độ trực tiếp vào lòng khuôn nhằm giám sát thời gian thực quá trình truyền nhiệt và điền đầy của nhựa.

Đóng góp của đề tài

  • Chứng minh tính khả thi kỹ thuật của phương án in 3D kim loại chi phí thấp bằng phương pháp hàn đắp kết hợp máy phay CNC tại điều kiện nhà xưởng trong nước, thay thế cho các hệ thống in laser đắt tiền (DMLS/SLM).
  • Ứng dụng quy trình mô phỏng trường nhiệt số CFD (ANSYS CFX) trong tối ưu hóa kết cấu kênh làm mát biên dạng ba chiều, cung cấp dữ liệu đối sánh trực tiếp với thực nghiệm ép phun chi tiết bánh răng kỹ thuật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Bề mặt kim loại sau quá trình hàn đắp MIG có độ nhám tương đối cao, tiềm ẩn ứng suất dư lớn và nguy cơ rỗ khí cục bộ bên trong cấu trúc thành ống dẫn làm mát.
    • Quá trình gia công cơ khí hoàn thiện lòng khuôn sau hàn đòi hỏi nhiều nguyên công phụ trợ trên máy CNC.
    • Thực nghiệm ép phun mới chỉ khảo sát trên vật liệu nhựa Polyamide (PA) với một chế độ thông số công nghệ vận hành cố định, chưa mở rộng sang nhiều nhóm nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật khác.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Tự động hóa đường chạy dao kết hợp chu trình hàn đắp và phay CNC trên cùng một hệ thống gia công tích hợp.
    • Nghiên cứu các chế độ xử lý nhiệt sau khi hàn đắp nhằm giải tỏa triệt để ứng suất nhiệt và tăng cơ tính khối khuôn.
    • Thử nghiệm đánh giá độ bền mỏi, tuổi thọ làm việc của tấm khuôn in 3D qua hàng chục nghìn chu kỳ ép phun liên tục trong điều kiện sản xuất công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên môn phù hợp cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy, Công nghệ Vật liệu và Thiết kế Khuôn mẫu ép phun:

  • Phần thiết kế và tính toán hình học bánh răng cung cấp biểu thức và thông số chuẩn hóa phục vụ thiết kế bộ truyền bánh răng nhựa.
  • Quy trình mô phỏng trên phần mềm ANSYS CFX (thiết lập miền tính toán, chia lưới cục bộ theo giao diện water_interface/pipe_interface, thiết lập điều kiện biên phi ổn định) là tài liệu mẫu trực quan cho các bài toán phân tích nhiệt - thủy lực trong lòng khuôn.
  • Quy trình lắp ráp bộ khuôn ép nhựa 8 bước và phương án gá đặt thực nghiệm trên máy ép phun Haitian MA1200III mang giá trị ứng dụng cao cho quá trình thực hành xưởng và chế tạo khuôn mẫu thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Chi tiết bánh răng nhựa trong đồ án có các thông số kích thước danh định nào?
Chi tiết sản phẩm là bánh răng trụ răng thẳng chế tạo từ hạt nhựa PA với modul $m = 2\text{ mm}$, số răng $z = 23$, bước vòng $p = 6,28\text{ mm}$, đường kính vòng chia $d = 46\text{ mm}$, đường kính đỉnh răng $d_d = 50\text{ mm}$, đường kính chân răng $d_a = 41,3\text{ mm}$, chiều cao răng $h = 4,334\text{ mm}$, khe hở đỉnh răng $c = 0,334\text{ mm}$ và bề dày thực nghiệm $20\text{ mm}$.

2. Phương pháp in 3D kim loại nào được nhóm tác giả lựa chọn để chế tạo tấm khuôn âm?
Nhóm tác giả không sử dụng các phương pháp in laser đắt tiền (như SLM, DMLS) mà ứng dụng phương pháp hàn đắp kim loại trong môi trường khí bảo vệ (hàn MIG/GMAW) tích hợp trực tiếp trên máy phay CNC HAMAI để tạo hình phôi tấm khuôn có đường nước rỗng ba chiều bên trong, sau đó phay tinh bề mặt.

3. Theo số liệu khảo cứu trong đồ án, kênh làm mát 3D conformal vượt trội hơn kênh 2D truyền thống như thế nào?
Dữ liệu khảo cứu cho thấy kênh làm mát biên dạng (conformal) giúp giảm thời gian làm đông đặc sản phẩm xuống còn $89,67\text{ s}$ so với $285,90\text{ s}$ của kênh khoan thẳng 2D truyền thống (rút ngắn $68,63%$ thời gian làm mát). Đồng thời, tỷ lệ xuất hiện vết lõm bề mặt trên sản phẩm giảm xuống mức thấp nhất là $4,19%$ (so với $4,297%$ ở kênh thường).

4. Các điều kiện biên chính được cài đặt trong mô phỏng nhiệt ANSYS CFX cho khuôn 3D gồm những gì?
Mô phỏng thiết lập tổng thời gian $10\text{ s}$ với bước thời gian $1\text{ s}$; nhiệt độ sản phẩm nhựa nóng chảy ban đầu là $300^\circ\text{C}$ (trạng thái điền đầy tính toán $250^\circ\text{C}$); nhiệt độ khối khuôn ban đầu là $80^\circ\text{C}$; nhiệt độ môi chất nước làm mát ban đầu và nhiệt độ dòng cấp đầu vào (Inlet) đều ở mức $25^\circ\text{C}$; nhiệt độ môi trường không khí xung quanh thành khuôn ngoài là $25^\circ\text{C}$.

5. Thiết bị gia công và thiết bị ép thử nghiệm thực tế trong đồ án là những máy nào?
Quá trình chế tạo cơ khí và hàn đắp được thực hiện trên máy phay CNC HAMAI. Quá trình lắp ráp và thử nghiệm phun ép sản phẩm bánh răng nhựa PA được thực hiện trên máy ép nhựa Haitian mã hiệu MA1200III.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả Phan Nguyễn Nhật Tân, Huỳnh Lý Tấn Huy và Phạm Duy Bảo đã hoàn thành trọn vẹn quy trình thiết kế, mô phỏng và chế tạo thực nghiệm tấm khuôn âm tích hợp kênh làm mát ba chiều cho chi tiết bánh răng nhựa PA. Bằng việc ứng dụng phần mềm ANSYS CFX, nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả giảm nhiệt nhanh chóng của kênh làm mát 3D, giúp hạ nhiệt độ nhựa về $162^\circ\text{C}$ chỉ sau 3 giây và rút ngắn đáng kể chu kỳ làm nguội so với hệ thống kênh 2D truyền thống. Phương án kết hợp công nghệ hàn đắp MIG trên máy phay CNC HAMAI khẳng định một hướng tiếp cận kỹ thuật khả thi, chi phí thấp trong chế tạo khuôn mẫu phức tạp tại điều kiện sản xuất trong nước.