chương 1: Chương này giới thiệu tổng quan về Công nghệ ép phun nhựa, Công nghệ CAE và phần mềm Moldex3D. Sau khi học chương này, người học nắm được: - Lịch sử hình thành và ứng dụng của Công nghệ ép phun nhựa, Công nghệ CAE và phần mềm Moldex3D Studio; - Các đặc điểm và chức năng cơ bản của phần mềm Moldex3D Studio. Tổng quan về công nghệ phun ép nhựa 1. Lịch sử hình thành và Ứng dụng của công nghệ phun ép nhựa[8] Năm 1868, nhà phát minh đến từ New York là John Wesley Hyatt cùng với anh trai của mình là Isaiah Smith Hyatt đã tạo ra celluloid – một vật liệu được dùng để chế tạo bóng billiard thay thế cho ngà voi đang ngày một khan hiếm.
Tuy nhiên, hợp chất đó không thể đem đi đúc giống như ngà voi. Năm 1869, John Wesley Hyatt đã phát minh ra một loại vật liệu mới, được gọi là nitrocellulose và trở thành người đầu tiên nhận được bằng sáng chế bóng billiard. Đến năm 1872, hai anh em nhà Hyatt lại tiếp tục cho ra đời chiếc máy ép phun đầu tiên trên thế giới, nó hoạt động như một kim tiêm lớn, dưới tác dụng của piston, nhựa thông qua xilanh được nung nóng và bơm vào khuôn. Tuy chiếc máy này vẫn còn khá thô sơ nhưng nó đã mang đến sự khởi đầu cho một ngành công nghiệp sản xuất mới, nó cũng nhanh chóng trở nên bùng nổ với các mặt hàng như nút áo, lược, đệm cổ áo,.
và nhiều mặt hàng khác. Hai anh em John Wesley Hyatt (trái) và Isaiah Smith Hyatt (phải) 1 Với tình trạng các loại vật liệu có sẵn trong tự nhiên như sắt, gang, nhôm, đồng… đang nhanh chóng cạn kiệt, trong khi nhu cầu sử dụng của người tiêu dùng ngày một gia tăng, nhựa đã trở thành vật liệu thích hợp để thay thế các vật liệu tự nhiên trong tương lai. Có thể nói rằng, những sản phẩm nhựa được tạo ra từ công nghệ ép phun đang dần trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày. Các sản phẩm được sản xuất từ phương pháp ép phun nhựa trong đời sống hàng ngày có thể kể đến như[5]: - Đồ chơi trẻ em, công cụ học tập như vỏ bút, nắp bút, thước kẻ; - Linh kiện điện tử, vỏ máy tính, vỏ tivi, nắp ổ điện; - Vỏ xe ôtô, mặt nạ xe máy; - Các sản phẩm từ nhựa kháng khuẩn dành cho ngành y tế và mỹ phẩm làm đẹp như: chậu phòng mổ, chậu định vị dây dẫn, hộp đựng bệnh phẩm, chậu đựng dung dịch, bô nằm, chậu ngâm trực tràng, ly pha thuốc, … - Đặc biệt đa dạng và chiếm tỉ trọng lớn nhất phải kể đến các vật dụng sinh hoạt hàng ngày như: bàn, ghế, tô, dĩa, rổ, sọt, hũ chậu, thìa, chai,.
Mặt nạ xe máy Vỏ bút bi Dụng cụ y tế Ghế dựa Hình 1. Các sản phẩm từ công nghệ ép phun nhựa 2 1. Các phương pháp chế tạo sản phẩm nhựa[10] ➢ Ép Phun (Injection Molding) Là phương pháp chế tạo nhựa phổ biến nhất và phù hợp với nhiều loại nhựa. Đây là quá trình nung nóng viên nhựa và ép nhựa nóng chảy vào khuôn kim loại.
Kết quả là các sản phẩm nhựa có độ chính xác cao và có thể có nhiều hình dạng khác nhau. *** Phương pháp ép phun là phương pháp chúng ta sẽ tìm hiểu xuyên suốt trong tài liệu này. - Ưu điểm: o Tốc độ và hiệu quả về chi phí: Ép phun là một quá trình đơn giản có khả năng tự động hoá cao, giúp giảm thời gian sản xuất, mang lại doanh thu lớn hơn và tiết kiệm chi phí sản xuất. Cả khi sản xuất các sản phẩm có kích thước lớn, thời gian vận hành cũng rất ngắn, có thể cho ra hàng trăm sản phẩm trong một vài phút.
o Nhẹ: Trọng lượng riêng của nhựa tuy nhỏ nhưng độ bền không thua kém so với kim loại và nhiều loại vật liệu khác. Cùng với đó, việc trọng lượng nhẹ và dễ dàng chia nhỏ cũng giúp quá trình sản xuất và vận chuyển trở nên dễ dàng hơn, từ đó giảm thiểu chi phí sản xuất. o Chất lượng vượt trội: Với tính nhất quán cao về kích thước, công nghệ ép phun cho ra loạt chi tiết có tính đồng bộ cao. Phương pháp ép phun có thể đảm bảo dung sai rất chặt chẽ trên các sản phẩm cực kì nhỏ mà các phương pháp khác rất khó thực hiện được.
Ngoài ra, còn có hệ thống công nghệ hỗ trợ tiên tiến như mô phỏng hoặc hệ thống robot tự động. o Khả năng tương thích với thiết kế: Ép phun dễ dàng tích hợp với thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD), sản xuất có sự hỗ trợ của máy tính (CAM). Vì vậy phương pháp này phù hợp để ứng dụng sản xuất ứng chi tiết có hình dạng phức tạp. o Tuỳ chỉnh màu sắc và các loại nhựa: Hiện nay có hơn 15000 biến thể nhựa có sẵn trên thị trường, các chất độn như sợi thuỷ tinh được thêm vào để tăng cường chịu lực hoặc các chất chống tia cực tím để tăng độ bền sản phẩm.
o An toàn với môi trường: Quy trình ép nhựa tạo ra ít phế liệu dư thừa. Với những vật liệu dư thừa hoàn toàn có khả năng tái chế hoặc tái sử dụng. - Nhược điểm: o Hạn chế về thiết kế: Do khuôn phải mở và đẩy ra một phần, có một số thiết kế có thể không sản xuất được hoặc rất khó để sản xuất. 3 o Chi phí trả trước cao: Để tạo ra một sản phẩm từ công nghệ ép phun trước tiên cần đầu tư vào gia công khuôn ép riêng, giá thành sẽ đi đôi với độ phức tạp và kích thước của khuôn.
o Thời gian thiết kế dài hơn: Trước khi đưa vào sản xuất có thể hoàn toàn chỉ làm việc trên bản vẽ, sau khi hoàn thành tất cả mới đưa đưa vào sản xuất sản phẩm. Ngoài phương pháp Ép Phun, trên thị trường còn có các phương pháp sản xuất sản phẩm nhựa khác, bao gồm: ➢ Thổi (Blow Molding) Là phương pháp sản xuất nhựa ít được sử dụng hơn so với ép phun. Quá trình này tạo ra các sản phẩm nhựa rỗng như chai nước bằng cách thổi không khí vào trong ống nhựa nóng chảy. Thổi thích hợp cho việc sản xuất chai, trống, và thùng nhiên liệu.
Điền nhựa Sản phẩm Khuôn đóng Nhựa lấp đầy nóng vào ống Thổi khí được cắt và Thành phẩm lại thành khuôn rỗng lấy ra Hình 1. Phương pháp thổi nhựa ➢ Khuôn quay (Rotational Molding) Là một quy trình sản xuất nhựa bằng cách sử dụng nhiệt độ cao và áp suất thấp. Quá trình này đòi hỏi khuôn luôn quay để di chuyển nhựa xung quanh bên trong, tạo ra các sản phẩm nhựa với độ dày đồng đều và chắc chắn. Khuôn quay thích hợp cho việc sản xuất thùng, bể chứa, và đồ chơi.
4 Làm nóng Làm mát Đổ đầy Tháo khuôn Đang trong quá trình Làm nguội trong quay khuôn quay Bột nhựa nhiệt dẻo Khuôn Hình 1. Phương pháp khuôn quay ➢ Ép chân không (Vacuum Casting) Là phương pháp thường được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm nhựa nhỏ nhiều màu sắc. Quá trình này sử dụng khuôn silicon và loại nhựa urethane, cho ra các sản phẩm nhựa mịn màng và trong suốt. Tuy nhiên, các sản phẩm được làm từ phương pháp này không bền và có thể bị phân hủy sau một vài quy trình sản xuất.
➢ Gia công nhựa (Plastic Machining) Là một quá trình phổ biến cho việc cắt, tiện, và gia công các sản phẩm nhựa. Quá trình này đòi hỏi sử dụng máy tính hoặc công cụ cắt thủ công để tạo ra các sản phẩm nhựa có độ chính xác cao. Ứng dụng của gia công nhựa rất đa dạng, từ sản xuất đồ gá cho đến đèn ô tô. Gia công nhựa CNC ➢ Phương pháp ép chồng vật liệu (Fused Deposition Modeling – FDM) 5 Là một quy trình in 3D phổ biến để tạo ra các sản phẩm nhựa.
Quá trình này sử dụng sợi nhựa nhiệt dẻo ép đùn để tạo từng lớp một ra sản phẩm. FDM nhanh chóng, tiết kiệm chi phí và thích hợp cho việc sản xuất nhiều loại hình dạng khác nhau. Ống vào nhựa Máy đùn nóng Vật liệu hỗ trợ Khuôn in chống dính Hình 1. Phương pháp in 3D ➢ In lập thể (Stereolithography – SLA) Là một hình thức in 3D khác sử dụng nhựa quang polyme.
Quá trình này sử dụng tia laze để tạo ra các sản phẩm từng lớp một. SLA tạo ra các sản phẩm nhựa mịn màng và trong suốt, phù hợp cho việc sản xuất mẫu và trang sức. Nguồn laze Thang kéo Chùm tia laze Bề mặt nhựa Mặt nền Chùm tia laze Thùng Hình 1. Phương pháp in lập thể ➢ Thiêu kết laser chọn lọc (Selective Laser Sintering – SLS) Là một quy trình in 3D khác, chủ yếu sử dụng cho việc sản xuất các sản phẩm nylon.
Quá trình này sử dụng tia laser để thiêu kết có chọn lọc các hình dạng 2D trong bột nhựa, 6 tạo nên các sản phẩm nhựa hoàn chỉnh. SLS được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô và sản xuất dụng cụ. Con lăn nạp bột Laze Hộp cấp bột in Piston chế tạo Hộp cấp bột in Hình 1. Phương pháp in SLS ➢ Đùn nhựa (Extrusion) Là quá trình ép nhựa qua khuôn để tạo ra các sản phẩm nhựa dẻo với hình dạng liên tục.
Đùn nhựa thích hợp cho việc sản xuất đường ống, ống dẫn, và khung cửa sổ. Phương pháp ép đùn ➢ Ép đùn bột nhựa (Pultrusion) Là một biến thể của đùn nhựa, thích hợp cho nhựa gia cố sợi. Quá trình này sử dụng sợi gia cố được kéo qua khuôn để tạo ra sản phẩm nhựa gia cường sợi. ➢ Hàn nhựa (Plastic Welding) Là quy trình để nối các sản phẩm nhựa không thích hợp để dán hoặc lắp ráp.
Có nhiều biến thể của quy trình này, như hàn khí nóng và hàn điện từ. Phương pháp hàn nhựa ➢ Tạo hình bằng nhiệt (Thermoforming) Là quá trình tạo ra các sản phẩm nhựa bằng cách làm nóng tấm nhựa và định hình chúng trên khuôn. Quá trình này linh hoạt và thích hợp cho việc sản xuất các sản phẩm từ nhựa như vỉ thuốc và cốc nhựa. Tấm nhựa nóng Khuôn Hút chân không Hình 1.
Phương pháp tạo hình bằng nhiệt Từ ép phun, đến ép thổi và in 3D, có rất nhiều cách để sản xuất các bộ phận nhựa. Mỗi phương pháp chế tạo nhựa đều có ưu điểm và ứng dụng riêng. Việc lựa chọn phương pháp chế tạo nhựa phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như ngân sách, thiết kế sản phẩm, và loại vật liệu sử dụng.