Rất nhiều nghiên cứu về lĩnh vực khuôn ép nhựa, nghiên cứu về các thông số công nghệ trong quá trình ép phun nhƣng hầu nhƣ là cho các khuôn sản phẩm lớn.. Nhiệt độ, áp suất, tốc độ phun
TỒNG QUAN CÔNG NGHỆ VI ÉP KHUÔN
Tầm quan trọng của đề tài
Nhu cầu cuộc sống ngày càng nâng cao, khi chất lƣợng cuộc sống đƣợc đảm bảo thì nhu cầu hình thức đƣợc chú trọng Cùng với sự phát triển khoa học công nghệ càng hiện đại Sự phát triển về dân số và tập trung dân số, quỹ không gian lại là một vấn đề cấp bách thách thức các nhà khoa học, các nhà kỹ thuật không ngừng tìm tòi, phát minh các công nghệ hiện đại để thu nhỏ kích thước, tiết kiệm diện tích
Trong bối cảnh các nguồn tài nguyên càng khang hiếm, và cạn kiệt Việc nghiên cứu tìm kiếm vật liệu thay thế là nhu cầu rất lớn và có tầm quan trọng to lớn trong việc đảm bảo nhu cầu cuộc sống và bảo vệ môi trường Cùng với sự phát triển các vật liệu mới thì vật liệu nhựa và nhựa tái chế đƣợc quan tâm và giải quyết rất lớn trong nền công nghiệp dân dụng và công nghiệp phụ trợ
Khoa học y học ngày càng phát triển, các công nghệ phát minh mới cũng góp phần không nhỏ trong việc cải thiện, đảm bảo cuộc sống con người như các robot micro phá vỡ các cục máu đông giúp thông các mạch máu với vật liệu làm bằng nhựa y sinh
Với các phương pháp gia công đạt độ chính xác cao đòi hỏi một chi phí đầu tƣ lớn về thiết bị, bảo dƣỡng và vận hành Mà không đạt đƣợc nhu cầu về năng suất vì lƣợng gia công phải rất bé Công nghệ ép phun nhựa nóng chảy là một sự giải quyết rất lớn và đáp ứng các yêu cầu trên.Tuy nhiên để đạt được kích thước nhỏ và độ chính xác cao thì công nghệ vi ép phun ra đời
Công nghệ vi ép phun là một trong những công nghệ mới hiện nay đƣợc nhiều nước trên thế giới nghiên cứu và ứng dụng Bởi tính công nghệ và kích thước rất nhỏ và ứng dụng của sản phẩm vào nhiều lĩnh vực quan trọng y tế, viễn thông, điện tử góp phần cải thiện cuộc sống con người Đối với nước ta hiện nay, vi ép phun là một công nghệ đang phát triển và chƣa có nhiều công trình nghiên cứu cũng nhƣ những doanh nghiệp đầu tƣ hoạt
12 động trong lĩnh vực này Và sản phẩm nhựa đƣợc tạo ra hiện nay chiếm đa số là nhựa dân dụng, trong khi đó nhu cầu về sản phẩm nhựa kỹ thuật ứng dụng trong công nghệ micro rất lớn
Nhiệt độ, áp suất, tốc độ phun trong công nghệ vi ép phun quyết định phần lớn chất lƣợng sản phẩm và năng suất của hệ thống Các thông số công nghệ đạt đƣợc từ nghiên cứu sẽ giải quyết vấn đề về năng suất và chất lƣợng góp phần giảm giá thành sản phẩm và tiết kiệm năng lƣợng đem lại lợi ích to lớn cho xã hội.
Lịch sử phát triển và tình hình nghiên cứu
1.2.1 Lịch sử phát triển ngành nhựa
Nhựa mà chúng ta dùng ngày nay có nguồn gốc từ cuối thế kỷ 19 khi mà các nhà khoa học châu âu và Mỹ đã nghiên cứu bằng cách trộn nhiều loại cao su và chất phụ gia với nhau
Vật liệu nhựa nhân tạo đầu tiên đƣợc phát minh vào năm 1861 bởi Alexander Parkes và đƣợc công bố chính thức với toàn thể thế giới vào năm 1862 tại một triển lãm quốc tế ở London, gọi tên là nhựa Parkesine Một loại nhựa hữu cơ tổng hợp từ cellulose (phiên âm tiếng việt và viết xenlulo, xenlulozơ, xenluloza hoặc xenlulô) Đặc điểm loại nhựa này là có thể gia nhiệt, tạo hình và giữ nguyên hình dạng khi nguội Tuy nhiên chi phí sản xuất tốn kém, khó chế tạo và dễ cháy
Năm 1868, nhà phát minh người Mỹ John Wesley Hyatt phát triển một vật liệu nhựa có tên là Celluloid đƣợc tổng hợp từ cellulose và alcoholized camphor đƣợc cải tiến trên sự phát minh của Parkes Giải quyết vấn đề vật liệu làm quả billard (bida) bằng ngà voi, có thể làm cho voi tuyệt chủng, nhựa Celluloid ra đời là một sự thay thế tuyệt vời lúc đó
Cùng với người anh trai Isaiah của mình, Hyatt đã chế tạo ra máy ép phun đầu tiên và được cấp bằng sáng chế năm 1872 Chiếc máy này tương đối đơn giản so với các máy ép phun đang sử dụng ngày nay Máy làm việc tựa nhƣ một ống kiêm tiêm, bằng cách sử dụng một piston để ép nhựa xuyên qua xi lanh đƣợc làm nóng và đi vào lòng khuôn Ngành công nghiệp nhựa phát triển chậm chạm trong những năm này vì sự hạn chế công nghệ
13 Ngành công nghiệp nhanh chóng phát triển và mở rộng trong những năm 1940 vì chiến tranh thế giới thứ II đã tạo ra một nhu cầu rất lớn cần sản phẩm tốn ít chi phí, sản xuất hàng loạt Năm 1946, nhà phát minh Mỹ James Watson Hendry phát triển máy ép trục vít đầu tiên, cho phép kiểm soát chính xác hơn nhiều tốc độ ép và chất lượng sản phẩm Máy này cho phép trộn vật liệu trước khi phun để pha màu nhựa hoặc trộn đều nhựa tái chế với nguyên liệu nhựa chưa dùng trước khi phun Máy ép trục vít vẫn đƣợc giữ và phát triển cho đến ngày này
Cùng với sự phát triển khoa học công nghệ hiện đại, tạo ra các sản phẩm cùng chức năng nhưng giảm kích thước, giảm khối lượng, giảm giá thành, tiết kiệm năng lƣợng là một thách thức của các nhà khoa học kỹ thuật đồng thời mở ra một giai đoạn phát triển công nghệ micro và nano phát triển Ngành công nghiệp nhựa, nền công nghiệp phụ trợ cũng đƣợc phát triển
1.2.2 Tình hình ngành nhựa trên thế giới
Trên thế giới, ngành công nghiệp nhựa dù còn non trẻ so với các ngành công nghiệp lâu đời khác nhƣ: cơ khí, điện - điện tử, hóa chất, dệt may… nhƣng là một trong những ngành có tốc độ tăng trưởng ổn định của thế giới, trung bình 9% trong vòng 50 năm qua Mặc dù cuộc khủng hoảng kinh tế 2008 tác động lớn tới nhiều ngành công nghiệp, ngành nhựa vẫn tăng trưởng 3% trong năm 2009 và 2010 Tăng trưởng của ngành nhựa Trung Quốc và Ấn Độ đạt hơn 10% và các nước Đông Nam Á với gần 20% năm 2010
Sự phát triển liên tục và bền vững của ngành nhựa là do nhu cầu thế giới đang trong giai đoạn tăng cao Sản lƣợng nhựa tiêu thụ trên thế giới ƣớc tính đạt 500 triệu tấn năm 2010 với tăng trưởng trung bình 5%/năm (theo BASF) Nhu cầu nhựa bình quân trung bình của thế giới năm 2010 ở mức 40 kg/năm, cao nhất là khu vực Bắc Mỹ và Tây Âu với hơn 100 kg/năm Dù khó khăn, nhu cầu nhựa không giảm tại 2 thị trường này trong năm 2009 – 2010 và thậm chí tăng mạnh nhất ở khu vực châu Á – khoảng 12-15%
1.2.3 Tình hình ngành công nghiệp nhựa Việt Nam trong những năm gần đây
Kể từ năm 2000 trở lại đây, ngành công nghiệp sản xuất nhựa của Việt Nam đã duy trì tốc độ tăng trưởng cao nhờ tiêu dùng trong nước và xuất khẩu khẩu tăng mạnh Tiêu thụ nhựa bình quân theo đầu người tại Việt Nam năm 1975 chỉ ở mức 1kg/năm và không có dấu hiệu tăng trưởng cho đến năm 1990 Tuy nhiên, kể từ năm 2000 trở đi, tiêu thụ bình quân đầu người đã tăng trưởng đều đặn và đạt ở mức 12kg/năm và bắt đầu tăng vọt vào năm 2008 là 34kg/người Đến năm 2010 sức tiêu thụ bình quân đầu người khoảng 40kg/năm
Hình 1 1 Tiêu thụ sản phẩm nhựa bình quân theo đầu người tại Việt Nam (đơn vị: kg/người) (Nguồn: Bộ Công Thương )
Trong 10 năm trở lại đây, sản lượng nhựa của Việt Nam đã tăng trưởng nhanh và đều đặn với tốc độ trung bình là 15%/năm Bất chấp suy thoái kinh tế toàn cầu và biến động giá vật liệu nhựa trong năm 2008, sản lƣợng nhựa Việt Nam vẫn đạt 2,3 triệu tấn, tăng 22% so với năm 2007 Dự kiến tổng sản lượng của cả nước sẽ tiếp tục tăng trong nhiều năm tới
Hình 1 2 Sản lượng nhựa Việt Nam giai đoạn 2000-2010 (đơn vị: nghìn tấn)
(Nguồn: Hiệp hội nhựa Việt Nam) Trong tổng sản lƣợng nhựa hàng năm, sản phẩm nhựa bao bì chiếm khoảng 36% trong khi nhựa vật liệu xây dựng, đồ gia dụng và các loại dành cho các ngành công nghiệp khác nhƣ điện tử, điện, giao thông vận tải lần lƣợt chiếm khoảng 16%, 36% và 12% tương ứng
Sự phát triển công nghệ càng cao, nhu cầu về kích thước và khối lượng là một thách thức lớn của các nhà khoa học kỹ thuật Các sản phẩm có kích thước nhỏ ra đời, và phát triển đến công nghệ micro, nano Cũng là một thách thức lớn đối với nền công nghiệp nhựa
1.2.4 Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ ép phun micro
Khi vật liệu nhựa ra đời, sản phẩm nhựa nhanh chóng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Và công nghệ để gia công nhựa cũng lần lƣợc ra đời nhanh chóng Trong đó phải kể đến là công nghệ ép phun, sản phẩm của công nghệ này chiếm 32% lượng sản phẩm nhựa tiêu thụ trên thị trường Tiếp theo là công nghệ ép đùn với lƣợng sản phẩm chiếm 31% sản phẩm nhựa tiêu thụ trên thị trường Tuy nhiên sản phẩm nhựa chủ yếu là nhựa gia dụng, và theo xu thế phát triển thì nghành gia công nhựa đã phát triển để cho ra đời sản phẩm nhựa kỹ thuật để đáp ứng nhu cầu ứng dụng trong nghành chế tạo Và ngày nay công nghệ gia công nhựa đã đạt được sản phẩm có kích thước rất nhỏ và chính xác, và hầu hết sản
16 phẩm nhựa có kích thước nhỏ và chính xác đều được tạo ra bằng công nghệ vi ép phun
Công nghệ vi ép phun đƣợc ra đời là sự tiếp nối phát triển của công nghệ ép phun truyền thống Một khi, sự gia tăng dân số thế giới kéo theo gia tăng nhu cầu về tiêu dùng, sử dụng nguồn tài nguyên và năng lƣợng Trong khi đó nguồn tài nguyên và năng lượng ngày càng cạng kiệt Và con người đang làm mọi cách để bảo tồn và sử dụng tiết kiệm nguồn tài nguyên và năng lƣợng bằng cách nghiên cứu, chế tạo ra những sản phẩm ít sử dụng nguyên liệu nhất, ít tiêu thụ năng lƣợng nhất… Do đó sản phẩm có kích thước micro đã ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu trên Để đáp ứng điều đó thì công nghệ vi ép phun nhanh chóng đƣợc ra đời vào những năm 1980s, và đƣợc chia làm ba giai đoạn phát triển:
Giai đoạn thứ nhất từ 1985 tới năm 1995 Giai đoạn này vẫn sử dụng máy ép phun truyền thống Nhưng chỉ dùng máy có kích thước và công suất nhỏ, hệ thống kẹp bằng thủy lực và có lực kẹp tối đa tới 25 tấn
Kết hợp với sử dụng khuôn thiết kế cho các chi tiết có kích thước nhỏ
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Mục tiêu của luận văn là tìm hiểu về công nghệ vi ép phun để nắm bắt đƣợc công nghệ và hiểu đƣợc các quá trình trong công nghệ
Tiếp cận, tìm hiểu và nghiên cứu thiết kế khuôn vi ép phun cho sản phẩm điển hình
Mô phỏng một số quá trình quan trọng trong công nghệ vi ép phun
20 Mục tiêu dự kiến là gia công khuôn vi ép phun và kiểm nghiệm thực tế với kết quả mô phỏng từ phần mềm
- Tìm hiểu về công nghệ vi ép phun để so sánh đƣợc sự giống và khác nhau so với công nghệ ép phun truyền thống, đƣa ra đƣợc khái niệm về vi ép phun
- Mô phỏng các quá trình cơ bản để đƣa ra thông số thiết kế - Tìm hiểu, phân tích, thiết kế khuôn vi ép phun
- Mô phỏng thực nghiệm ảnh hưởng của thông số đến độ chính xác và ngoại quan của sản phẩm
- Nghiên cứu thực nghiệm ( dự kiến) - Kết luận
- Phương pháp nghiên cứu tổng quan: thu thập dữ liệu từ sách, truyền thông, tạp chí khoa học
- Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu thực nghiệm - Sử dụng phần mềm Moldflow để mô phỏng
CƠ SỞ LÝ THUYẾT, CÁC KHÁI NIỆM, QUÁ TRÌNH
Các khái niệm
2.1.1 Tìm hiểu về công nghệ ép phun truyền thống
Quy trình ép phun truyền thống
Hình 2 1 Sơ đồ các bước của quy trình ép phun truyền thống
Một số nhựa nguyên liệu hút ẩm trong không khí trong quá trình lưu trữ và vận chuyển Khi nhựa bị nung chảy, nước trong nhựa sẽ hóa hơi và gây ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm Thường thì người ta sử dụng khí nóng để sấy nguyên liệu, tuy nhiên với một số sản phẩm nhựa polycarbonate thì cần phải sử dụng khí Nitrogen
2 Đóng khuôn, hóa dẻo nhựa và định lƣợng chính xác thể tích nhựa
Hệ thống xi lanh và trục vít trong máy ép có ba chức năng chính: Hóa dẻo hạt nhựa, định lƣợng chính xác thể tích nhựa lỏng, cấp nhựa Ở bước này, nhựa được hóa dẻo hoàn toàn nhờ hệ thống điện trỡ nhiệt bên ngoài vỏ của trục vít, và các cảm biến nhiệt đƣợc gắn xung quanh để lấy tín hiệu điều khiển nhiệt độ điện trở thông qua hê thống điều khiển Đối với khuôn ép phun truyền thống, nhiệt độ hóa dẻo đƣợc cài đặt theo khuyến cáo của nhà sản xuất nhựa Tuy nhiên việc tăng nhiệt độ hóa dẻo cao hơn khuyến cáo của nhà sản xuất có thể dẫn tới nhựa bị lão hóa, do đó cần phải cân nhắc và điều chỉnh nhiệt độ hợp lý
3 Phun nhựa đã hóa dẻo vào khuôn
Nhựa sau khi đã đƣợc hóa dẻo hoàn toàn ở nhiệt độ thích hợp sẽ đƣợc phun vào trong khuôn bằng một hệ thống đẩy (thường bằng trục vít hoặc pít tông) Quá trình phun đƣợc kiểm soát bằng một hệ thống điều khiển nhằm đảm bảo định lƣợng chính xác
Quá trình phun nhựa vào khuôn, đƣợc thực hiện bằng cách tăng tốc độ phun ngay từ đầu để tăng áp suất và giảm thời gian phun trước khi tiến hành giữ áp Vận tốc phun của máy ở quá trình này sẽ đạt đƣợc tốc độ tối đa
Tuy nhiên, nếu hệ thống phun bằng trục vít thì sẽ bị hạn chế bởi tốc độ đi tới của trục vít và sẽ khó đạt đƣợc tốc độ tối đa Hơn nữa lực kẹp khuôn của máy ở bước này yêu cầu lớn nhất, nếu lực kẹp máy không đủ lớn thì khuôn sẽ bị hở suốt quá trình phun, điều này ảnh hưởng tới sản phẩm
Lưu ý rằng, trong quá trình này nhựa sẽ được điền đầy vào khuôn và được định hình trong lòng khuôn Do đó cần phải lưu ý các vấn đề:
+ Kiểm soát nhiệt độ khuôn + Định lƣợng chính xác thể tích nhựa đƣợc phun + Áp suất phun đủ lớn, tốc độ phun đủ nhanh nhƣng cần tính toán và kiểm soát phù hợp với lực kẹp của máy
23 + Vì tốc độ điền đầy nhanh…do đó cần chú ý tới vấn đề thoát khí cho khuôn Và để giải quyết tốt vần đề thoát khí cho khuôn trong điều kiện tốc độ phun nhanh, người ta sử dụng hệ thống bơm hút chân không phụ trợ
Sau khi nhựa được điền đầy vào khuôn thì cần phải lưu áp suất một thời gian nhằm đảm sản phẩm không bị khuyết tật do nguội co ngót Việc tăng thời gian giữ áp suất sẽ mang lại hiệu quả tích cực cho việc điền đầy khuôn cho những sản phẩm có kích thước nhỏ, tuy nhiên việc giữ áp suất lâu sẽ có ảnh hưởng tới việc gây biến dạng đàn hồi cho sản phẩm khi giải phóng áp suất khỏi khuôn, điều này gây ảnh hưởng tới cơ tính của sản phẩm
Giai đoạn giữ áp kết thúc khi áp suất trong khuôn giảm xuống bằng không, điều này xảy ra khi vật liệu tại cổng phun (vị trí có tiết diện nhỏ nhất liên kết giữa chi tiết và hệ kênh dẫn) đông cứng lại hoặc ngƣng giữ áp suất
Do đó để tối ưu hóa hệ thống làm nguội người ta thiết kế phải đảm bảo tiếp xúc nhiệt tốt giữa khuôn và nhựa, cũng nhƣ thiết kế chiều dày của sản phẩm phải đảm bảo nhiệt độ phân bố và giảm đồng đều Tuy nhiên cách làm tốt nhất là giảm nhiệt độ của khuôn suốt thời gian làm nguội
6 Tháo khuôn, lấy sản phẩm Đây là bước cuối cùng của quy trình ép phun, khi nhiệt độ sản phẩm giảm xuống đạt nhiệt độ đông cứng thì sẽ đƣợc lấy ra khỏi khuôn Cách phổ biến nhất là dùng hệ thống chốt đẩy để đẩy sản phẩm ra ngoài Tuy nhiên việc đẩy các chi tiết nhỏ từ khuôn là điều rất quan trọng Vì các chi tiết nhỏ, vị trí tiếp xúc giữa chi tiết và bộ phận đẩy nhỏ quá sẽ dễ làm cho chi tiết bị bể Do đó việc thiết kế hệ thống đẩy cho khuôn cần phải chú ý tới: hình dáng hình học của khuôn, độ bóng bề mặt khuôn, vật liệu sử dụng… Đối với những chi tiết có tỉ lệ cao về các chiều của kích thước, hoặc có bề mặt phức tạp, độ bóng bề mặt không cao thì được thiết kế hệ thống đẩy với sự hỗ trợ của hệ thống hút chân không
24 Từ những nền tảng cơ sở của ép phun truyền thống, các nhà khoa học kỹ thuật đã phát triển và thu nhỏ kích thước sản phẩm để đáp ứng nhu cầu phát triển của cuộc sống
2.1.2 Khái niệm về sản phẩm micro
Rất nhiều định nghĩa khác nhau về giới hạn cho chi tiết có kích thước micro:
Theo “T.R Tofteberg” [11] chi tiết phải có tối thiểu hai kích thước nằm trong giới hạn từ 0.1àm tới 100 àm; Theo “Vishu Shah” [13] đường kớnh chi tiết nhỏ hơn 2.54mm hay kích thước lớn nhất không lớn hơn 3.175mm hoặc chi tiết có khối lượng từ 0.1 tới 0.001 gram Theo “Jose M Castro et al” [1] thì chi tiết có kích thước lớn nhất nhỏ hơn 1mm và chiều dày của chi tiết cú kớch thước vài àm
Một định nghĩa chung của quá trình μ-IM là việc sản xuất của các sản phẩm polymer với kích thước micro, sub-micron hoặc nano mét (Kemmann và Weber 2001) Ngoài ra, Yao và Kim cho rằng sản phẩm được sản xuất bởi μ-IM thường là một trong hai loại sau: Loại 1 là các sản phẩm với kích thước nhỏ hơn 1 mm, trong khi loại 2 là sản phẩm có thể có kích thước lớn hơn 1mm nhưng có một số kích thước nhỏ hơn micro, thường nhỏ hơn 200 àm (Yao và Kim 2004) Cũn Kukla et alcho rằng các sản phẩm μ-IM có thể có thể có kích thước nào đó nhưng được giới hạn bởi khối lượng nhỏ hơn một vài miligram với dung sai kích thước trong khoảng àm (Kukla et al 1998)
Nhƣ vậy, ta có thể đƣa ra 3 khái niệm về sản phẩm micro:
+ Kích thước sản phẩm bé hơn 1mm
+ Kích thước bao của sản phẩm có thể lớn hơn 1mm, nhưng có kích thước thành phần bé hơn 1mm
+ Khối lƣợng sản phẩm bé hơn 0.1g
Một số hình ảnh về sản phẩm micro :
Hình 2 2 Bạc lót trong micro pump đường kính ngoài 0.5 mm
Hình 2 3 Chi tiết ứng dụng trong ngành y khoa được tạo ra bằng vi ép phun
2.1.3 So sánh giữ ép phun truyền thống và vi ép phun
Bảng 2 1 So sánh công nghệ ép phun truyền thống với công nghệ vi ép phun
Tên quy trình Ép phun truyền thống Vi ép phun
- Máy sử dụng nguồn năng lƣợng thủy lực và điện
- Máy có lực kẹp > 15 tấn
- Máy sử dụng nguồn năng lƣợng điện hoặc khí nén-điện
- Máy có lực kẹp < 15 tấn
- Vật liệu hạt nhựa có kích thước tiêu chuẩn 3mm x 4mm
- Vật liệu phế lớn (do kích thước của bạc cuốn phun,…lớn)
- Vật liệu hạt nhựa có kích thước từ 0.05mm tới 1 mm tùy thuộc vào bước vis cấp liệu
- Vật liệu phế rất ít (do kích thước của bạc cuốn phun,…rất nhỏ)
Mô phỏng dòng chảy Tính toán, mô phỏng 2.5D Tính toán, mô phỏng 3D
- Sử dụng phần mền cad để thiết kế hình học cho chi tiết
- Đường kính của cuốn phun lớn hơn (>) 1mm
- Kênh dẫn dài, có tỉ lệ kênh dẫn/chi tiết là 60:1
- Vật liệu làm khuôn yêu cầu không cao
- Sử dụng phương pháp mô phỏng cho kênh cấp liệu
- Đường kính của miệng phun nhỏ hơn ( 20mm
Bộ phận cấp liệu bằng trục vít, pít tong, có đường kính < 20mm
Theo nhiệt độ khuyến cáo của nhà sản xuất vật liệu
Nhiệt độ nấu chảy vật liệu cao hơn nhiệt độ khuyến cáo của nhà sản xuất
Giữ áp Kiểm soát theo hàm áp suất
- Kiểm soát dựa trên vị trí của pít tông phun
- Vật liệu ngay miệng cuống phun đông cứng nhanh chóng
- Shear rate >10 6 s -1 Tính toán chính xác thể tích của vật liệu phun
- Thông khí cho khuôn bằng hệ thống hút chân không.
Kiểm soát theo khối lƣợng và kích thước
Kiểm soát dung sai kích thước và chứng năng của sản phẩm
Làm nguội Thường thì vài chục giây
Nguội ngay tức thời Điều khiển bằng hệ thống
Lấy sản phẩm Cơ cấu chốt đẩy đơn giản
- Cần tính toán rất kỹ hệ thống đẩy (vị trí, lực đẩy, hình dáng,…)
- Sử dụng hệ thống chân không để hỗ trợ
2.1.4 Tìm hiểu về công nghệ vi ép phun
Công nghệ vi ép phun là sự phát triển kế thừa từ công nghệ ép phun truyền thống Các bước chính của quy trình vi ép phun và ép phun truyền thống giống nhau Tuy nhiên quá trình vi ép phun không thể đơn giản đƣợc coi là một thu nhỏ của quá trình ép phun (Griffiths et al 2008) Mặc dù có rất nhiều kiến thức và trải nghiệm về công nghệ ép phun nhƣng không thể hoàn toàn đƣợc sử dụng trực tiếp cho quá trình μ-IM và nên cẩn thận xem xét (Fleischer và Kotschenreuther 2007)
Cơ sở lý thuyết
2.2.1 Các phương trình cơ bản dùng trong mô phỏng điền đầy
Dòng chảy nhựa trong hệ thống kênh dẫn và trong lòng khuôn cũng là các dòng chảy thực, đặc biệt còn là một dòng chảy tầng Chính vì vậy, các phương trình
32 toán học dùng nghiên cứu các dòng lưu chất thực trong cơ lưu chất có thể áp dụng cho dòng chảy nhựa nóng trong trường hợp dòng chảy tầng Trong đó ta cần quan tâm đến 3 phương trình cơ bản là phương trình liên tục, phương trình bảo toàn động lượng, và phương trình bảo toàn năng lượng
+ Phương trình liên tục hay phương trình bảo toàn khối lượng : [1]
( ) Với là khối lƣợng riêng của nhựa là vecto vận tốc của 1 phần tử nhựa
+ Phương trình bảo toàn động lượng Navier-Stokes đơn giản hóa dùng để mô hình hóa các dòng nhựa nóng cho thấy sự cân bằng giữa ứng suất nhớt và áp suất có dạng : [1] ̅ ̅ ̿ Trong đó : p là áp suất, τ là tension ứng suất vật liệu Việc mô phỏng quá trình điền đầy lòng khuôn dựa trên cơ sở phương pháp xấp xỉ dòng chảy của Hele-Shaw xem các dòng chảy trong lòng khuôn là các dòng chảy nhớt giữa 2 tấm phẳng song song đặt sát nhau
Trong đó : là độ nhớt của vật liệu Bằng cách sắp xỉ này, 2 thành phần của phương trình bảo toàn động lượng sẽ giảm xuống thành phương trình vi phân từng phần 1 biến với áp suất p chưa biết
( ) Với ∫ , trong đó b là khoảng hở giữa các tấm phẳng và là độ nhớt, là hàm theo tốc độ trƣợt cục bộ
33 Bỏ qua các bức xạ nhiệt và xem đối lưu đẳng hướng thì phương trình bảo toàn năng lƣợng trong quá trình điền đầy có thể biểu diễn nhƣ sau :
( ) Trong đó c p là nhiệt dung riêng của nhựa độ dẫn nhiệt của nhựa tốc độ trƣợt của nhựa Nếu chỉ xét đến 1 chiều của dòng chảy thì ta có :
( ) Để dự đoán độ co rút và độ cong vênh sản phẩm sau ép phun Độ co rút là sai số về kích thước lòng khuôn và kích thước sản phẩm ép phun đã làm nguội Nguyên nhân chính gây ra là khối lƣợng riêng tăng lên khí nhựa nóng đông lại, các nhựa tinh thể nhƣ PA, Nylon, trọng lƣợng riêng cao nhƣ PE, PET và PP gây ra vấn đề nghiêm trọng nhất Với độ co rút 1-4% Các loại nhựa vô định hình nhƣ PS, PMMA và PC ít gặp vấn đề hơn vì độ co rút 0.3-0.7 % Độ cong vênh gây ra do khối lƣợng riêng thay đổi trong quá trình ép phun và định hướng tác động lên sản phẩm trong quá trình điền đầy, duy trì áp suất và nhiệt độ trong khuôn thay đổi, dẫn đến gây ra ứng suất nội bên trong vật liệu khi nguội và làm cong vênh bề mặt Có rất nhiều phương trình liên hệ được thiết lặp để liên hệ trường ứng suất và trường biến dạng trong dòng chảy nhựa, dạng đơn giản nhất là mô hình Power Law cho độ nhớt trƣợt
Trong đó là độ nhớt, là ứng suất trƣợt, là tốc độ trƣợt, m, n là các thông số mô hình ( m giảm theo lũy thừa khi nhiệt độ tăng) Mô hình của lưu chất với số mũ n thay đổi 0.2-0.8 cho hầu hết các loại nhựa Để biểu thị đặc tính nhớt và đặc tính đàn hồi của nhựa nóng, ta cũng có thể dùng mô hình đàn hồi nhớt của Maxwell :
34 Với là hằng số và là độ nhớt vật liệu Trong các phương trình trên thì độ nhớt động học không phải là một hằng số mà cũng biến đổi theo áp suất và nhiệt độ của quá trình Chình vì vậy, ta cần biết đƣợc quy luật biến đổi của độ nhớt, khối lƣợng riêng cũng nhƣ đặc tính vật liệu nói chung
Ngoài ra, ta có thể áp dụng phương pháp hình học để mô phỏng điền đầy vật liệu nhựa trong quá trình phun ép
Mô phỏng điền đầy bằng phương pháp hình học :[4]
Hình 2 5 Hình chiếu sản phẩm sau khi ép có cả cuốn phun Áp suất trong kênh dẫn được thể hiện dưới công thức :
Trong đó : ΔP : Lƣợng áp suất giảm n : số mũ
R : bán kính thuỷ lực của miệng phun, bạc cuốn phun và kênh dẫn
35 H, W : là kích thước dài rộng của lòng khuôn Δx : chiều dài dòng chảy mỗi phần
- Sự điền đầy của khuôn micro xảy ra rất nhanh Nhiệt độ của nhựa nóng chảy trong khuôn có thể sắp xi nhiệt độ nóng chảy của nhựa Và tính nhất quán của dòng chảy có thể xem nhƣ :
Trong đó : T m : là nhiệt độ nóng chảy của nhựa m 0 : là hằng số vật liệu a 0 : có thể ƣớc lƣợng từ mẫu chéo WLF
Vận tốc trong kênh dẫn có thể đƣợc thể hiện nhƣ [ 4 ] :
( ) s: là khoảng cách điền vào kênh dẫn
Ts: nhiệt độ trung bình ở kênh dẫn h: là độ sâu của kênh dẫn Khi hai mặt khuôn đóng vào nhau, nhựa điền đầy vào khuôn, không khí còn bị kẹt bên trong, do đó ảnh hưởng của không khí tại thời điểm đó được xem xét và
P air l à áp suất tại thời điểm đó và giả định là 1 atm Tỷ lệ lưu lượng thể tích trong vi khuôn đƣợc viết nhƣ sau
Trong đó : a 1 : bề rộng kênh dẫn
N c : số kênh dẫn Áp suất tại điểm 0 (điểm vào của kênh dẫn ) đƣợc viết :
P n : áp suất đóng khuôn Thêm vào đó là áp suất đầu vào của kênh dẫn, chúng ta cần ƣớc lƣợng nhiệt độ của nhựa chảy dẻo.Nhiệt độ nhựa chảy dẻo điền đầy các lõi khuôn cũng coi nhƣ là nhƣ nhau Và nó đƣợc làm nguội thông qua trao đổi nhiệt với thành khuôn Nhiệt lƣợng truyền qua lòng khuôn là :
Trong đó : X là hướng bề dày của lòng khuôn Điều kiện biên là :
T w Nhiệt độ thành khuôn k m Nhiệt độ chảy dẻo nhựa h a , h w là hệ số truyền nhiệt cùa không khí và thành khuôn h : đƣợc xác định bằng giá trị trung bình Điều kiện ban đầu là : nhiệt độ nhựa bằng với nhiệt độ nóng chảy để làm chảy dẻo nhựa Sự phân bố nhiệt độ trong khuôn có thể giải quyết nhƣ :
: Hệ số gốc ̅ Thời gian mà nhiệt nhựa chảy dẻo tác động lên thành khuôn khi đóng khuôn, tc , thì khác nhau tại các vị trí khác nhau theo phương Y Và có thể xác định
Y là khoảng cách đến cuối cùng của lòng khuôn, Nhựa dẻo sau khi điền đầy cuốn sẽ đến kênh dẫn Hằng số t i khoảng cách điền đầy trong kênh dẫn micro
) và Đối với khuôn micro, việc làm nguội nhựa có thể lớn do chiều rộng của khuôn nhỏ, Nhiệt lượng truyền khắp bề rộng khuôn và đối lưu dọc theo chiều dài kênh dẫn
THIẾT KẾ KHUÔN CHO SẢN PHẨM MICRO CLOCK CONNECTOR
Yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm
Trong ngành công nghiệp điện-điện tử, việc kết hợp các module thành một sản phẩm hoàn thiện rất phổ biến Để kết nối các module lại với nhau có rất nhiều cách Trong đó, các đầu nối điện là một cách phổ biến, linh động và tiện sử dụng thay thế nhất Do vậy các đầu nối tính hiệu, đầu nối điện là không thể thiếu trong các sản phẩm trên
3.1.1 Yêu cầu kỹ thuật về kích thước sản phẩm
- Tên sản phẩm : Micro clock connector Sản phẩm được gọi là micro clock vì phần khóa gài có kích thước là 0.6 mm và chân ghim là 0.25 x 0.6 mm
- Hình dạng và kích thước sản phẩm :
Hình 3 1 Bảng vẽ kỹ thuật của đầu nối cái
Hình 3 2 Bảng vẽ kỹ thuật của đầ u nối đực
Vì đây là nghiên cứu và chi phí gia công cao, đƣợc sự hỗ trợ gia công của nhà máy nên chủ trương thiết kế là đơn giản và tiết kiệm chi phí, quan trọng của vấn đề là hiểu đƣợc kết cấu và cấu tạo của khuôn vi ép phun, hiểu đƣợc các quá trình và ảnh hưởng của các thông số trong quá trình vi ép phun Do vậy, các yêu cầu về khuôn vi ép phun đƣợc chọn nhƣ sau :
- Số lƣợng khuôn : 1 bộ khuôn và 2 lõi khuôn của connector đực và cái
- Khuôn 1 sản phẩm - Sản phẩm đạt ngoại quan và kích thước theo yêu cầu của bản vẽ
3.1.2 Chọn vật liệu cho bộ connector
Vì sản phẩm dùng trong ngành điện - điện tử, và sản phẩm có kích thước nhỏ nên cần chọn loại vật liệu có cơ tính phù hợp, nhiệt độ cao để tránh hiện tƣợng chảy dẻo và độ co rút là thấp nhất
Kỹ thuật nhựa dẻo phân loại theo nhiệt độ chênh lệch dưới áp lực khoảng 1.82 MPa TDUL (Temperature of deflection Under Load) Loại nhựa có TDUL lớn hớn 150 độ gọi là nhựa kỹ thuật
Hình 3 3 Mối liên hệ giữa TDUL và nhiệt độ liên tục
Kích thước sản phẩm có những thành mỏng, nhỏ và kích thước nhỏ hơn 1 mm nên khả năng chiều dài dòng chảy để điền đầy sản phẩm là một yếu tố quan trong cần xét đến khi chọn vật liệu
Hình 3 4 Chiều dài dòng chảy với nhiệt độ khuôn tính trên bề dày sản phẩm 1mm
44 Tuy nhiên, ta vẫn phải xét về sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính nhớt của vật liệu nhựa Nhiệt độ càng cao, tính nhớt càng giảm, vật liệu nhựa càng dễ điền đầy.Nhưng nhiệt độ quá lớn lại ảnh hưởng đến vật liệu, làm thay đổi tính chất hóa lý cùa vật liệu
Hình 3 5 Mối quan hệ giữa tính nhớt và nhiệt độ
Từ các đặc tính trên, ta thầy dòng nhựa LCP là loại nhựa phù hợp trong điều kiện làm việc của sản phẩm, đồng thời cũng thích hợp sử dụng trong vi khuôn
3.1.3 Hóa tính của nhựa LCP
Hình 3 6 Cấu trúc hóa học của nhựa LCP
Hình 3 7 Cấu trúc 3 chiều của nhựa LCP
Thông số kỹ thuật nhựa LCP :
+ Trọng lƣợng riêng 1,38-1,95 + Độ đàn hồi mô đun (E) 8.530-17.200 MPa + Độ bền kéo (σt) 52,8-185 MPa
+ Độ bền kéo giãn dài (%) 0,26-6,2 + Nhiệt độ chảy dẻo : 355-400 độ C + Nhiệt độ khuôn : 80-120 độ C
- Ngoài ra, hệ số co rút theo MD (mechanical direction) và TD (transverse direction) của LCP là ta chọn là 0.15% và 0.25% Vì hệ số co rút nhỏ nên để thuận tiện cho việc thiết kế nên ta chọn hệ số co rút (mold shrinkage) là 0.2% cho cả MD và TD
Hình 3 8 Sự co rút của nhựa LCP theo 2 phương
Các yêu cầu về kết cấu trong thiết kế khuôn vi ép phun
Ngoài các tính chất, yêu cầu thiết kế khuôn thông thường, ta tìm hiểu thêm về các yêu cầu thiết kế cần lưu ý trong khuôn vi ép phun
3.2.1 Tính toán kích thước trước khi sản phẩm bị co rút
Với hệ số co rút vật liệu đã chọn là 0.2% theo cả 2 phương MD va TD Do vậy ta chỉ cần chọn tỉ lệ phóng đại 1.002 để đạt kích thước trước khi co rút
Hình 3 9 Sản phẩm sau khi nhân hệ số co rút bằng phần mềm solidwork
Sau khi có mô hình 3D với kích thước tính toán, ta tiến hành thao tác thiết kế khuôn theo mô hình trên
3.2.2 Đánh giá ngoại quan của sản phẩm để chọn kết cấu khuôn
Số sản phẩm trên một khuôn tính theo công suất phun của thiết bị
Trong đó : n số chi tiết tối đa trên khuôn M trọng lƣợng một sản phẩm m là trọng lƣợng phần dƣ do sản phẩm X là hệ số thể tích
Q v khả năng phun của thiết bị
47 Tuy nhiên đây là sản phẩm nghiên cứu nên ta chọn khuôn 1 sản phẩm Và là khuôn 2 tấm không cần cắt cuốn keo tự động
Và theo các hướng đặt sản phẩm thì ta đánh giá có hướng vị trí có chi tiết chi tiết khuôn sẽ bị vướng và làm sản phẩm bị lỗi (undercut) nên ta cần bố trí 1 bệ trượt (slide) cho khuôn
Hình 3 10 Xác định các vị trí cản trở việc lấy sản phẩm ra khỏi khuôn
Mặt phân khuôn là bề mặt phân cách giữa tấm khuôn cố định và tấm khuôn di động Ta chọn bề mặt thuận tiện nhất cho cả việc mở khuôn và việc gia công khuôn
Hình 3 11 Chọn mặt phân khuôn
- Chọn vị trí miệng phun
Sao cho từ miệng phun đến các vị trí còn lại của sản phẩm là tương đối đồng nhất Mô phỏng sơ bộ trên sản phẩm trước khi ép sản phẩm từ hãng sản xuất sau khi nhân hệ số co rút để xác định tính điền đầy và những vị trí thoát khí cho khuôn
Hình 3 12 Vị trí miệng phun và thời gian điền đầy vật liệu
- Các vị trí khí dƣ trong khuôn khi đóng khuôn và ép phun
Việc mô phỏng dự đoán các vị trí khí dƣ tập trung khi nhựa phun vào khuôn rất quan trọng và góp phần hoàn thiện sản phẩm Các hiện tƣợng lỗi sản phẩm nhƣ thiếu liệu, cháy khét
Hình 3 13 Xác định các vị trí thoát khí cho khuôn
49 Đặc điểm trong khuôn vi ép phun là các chi tiết của khuôn cũng sẽ rất nhỏ, Do vậy nếu thiết kế theo phương pháp thông thường thì việc gia công rất khó khăn và rất khó để quản lý kích thước cũng như kiểm tra kích thước Do vậy trong kết cấu khuôn vi ép phun thông thường các nhà thiết kế sẽ theo phương pháp chia nhỏ chi tiết, sau đó ghép lại với nhau để thuận tiện cho việc gia công và khắc phục các lỗi liên quan đến thoát khí khi đóng khuôn ép nhựa nhƣ cháy khét, ba via, thiếu liệu Nguyên tắc chia chi tiết cũng là để cho thuận tiện gia công và ưu tiên các phương pháp gia công đạt độ chính xác cao nhất Tại công ty Yuwa VN, gia công mài đạt 1/1000 mm, gia công CNC đạt 5/1000 mm, Gia công bắn điện EDM đạt 2-3/1000 mm, gia công cắt dây đạt 2-3/1000 mm
- Chia chi tiết cho sản phẩm
+ Phần di động (Core): Khi chia chi tiết, chúng ta nên chú ý đến việc lắp ghép các chi tiết sau khi gia công, phần động, phần tĩnh để chia cho hợp lý
Hình 3 14 Chia chi tiết cho lõi khuôn di động
Hình 3 15 Chia chi tiết cho lõi khuôn cố định
+ Chia chi tiết cho bộ trƣợt (Slide)
Hình 3 16 Chia chi tiết cho bộ trượt
- Gia tăng cứng vững cho chi tiết mà không thay đổi kết cấu sản phẩm
Nguyên tắc chia linh kiên cho bộ trƣợt, vì trong quá trình làm việc bộ phận trƣợt sẽ di chuyển, do vậy việc đóng các chi tiết tạo ăn khớp rất quan trong, đảm bảo chất lƣợng sản phẩm, không làm cong chi tiết Nên các phần tiếp xúc trƣợt luôn tránh kếu cấu nhọn, luôn ƣu tiên dạng hình hộp hay hình thang để phần diện tích tiếp xúc trượt là lớn nhất Những dạng bộ trượt có phần trụ dài cần lưu ý kết cấu để tránh khi dòng nhựa vào khuôn, áp lực gây ra không làm cong chân chi tiết Tùy kết cấu khuôn mà ta có các cách khác nhau Ở trường hợp khuôn đực ta thay đổi kết cấu như sau để làm phần chi tiết thêm cứng vững
Hình 3 17 Phương pháp tăng cứng vững cho kết cấu chi tiết
Theo thiết kế thông thường thì ta chỉ để phần khuôn cố định và di động tiếp xúc nhau, nhưng vì chi tiết kích thước nhỏ nên dễ bị biến dạng và gãy dưới áp suất phun lớn của nhựa, nên thiết kế nhƣ trên sẽ giúp khắc phục và tăng cứng vững cho chi tiết khuôn
- Góc ăn khớp của các chi tiết đóng mở
Các mặt tiếp xúc nhau giữa chi tiết và chi tiết, giữa nhựa và chi tiết phải có góc thoát khuôn Tùy trường hợp cụ thể nhưng thông thường là 1 độ
Hình 3 18 Góc thoát chi tiết
3.2.3 Tính toán thiết kế kênh dẫn:
Có rất nhiều phương pháp để tính toán kênh dẫn nhựa:
+ Tính toán theo lý thuyết dòng chảy nhựa
+ Dùng công cụ mô phỏng để rút ra kênh dẫn nhựa tối ƣu
+ Tính toán theo kinh nghiệm thực tế làm khuôn
Trong quá trình tính toán đường kính kênh dẫn, ta cần phải đối chiếu kết quả tính được với tỉ số chảy của vật liệu để xem đường kính như thế có hợp lý hay không Đường kính kênh dẫn = Chiều dày thành sản phẩm + 20% chiều dày thành sản phẩm
Giả sử ta có sản phẩm có thành dày 0.18mm Chiều dài kênh dẫn là 20mm Lúc này:
Ta có tỷ số: L/Dc = 20/0.27 ≈ 74 :1 Với L : Chiều dài kênh dẫn tính cho một lòng khuôn
Dc: Đường kính kênh dẫn
Kiểm tra tỷ số chảy của vật liệu
Tỷ lệ lớn của Runner = 50% tỷ số lớn nhất tỷ số chảy vật liệu
53 Giả sử vật liệu của sản phẩm là LCP có tỷ số chảy là 250:1 Suy ra tỷ số chảy runner = 50% (250:1) = 125:1
Ta thấy tỷ số 74:1 bé hơn với 125:1 Điều này có nghĩa là đường kính Dc 0.27mm là phù hợp
Xác định lại đường kính kênh dẫn
Gọi x là đường kính kênh dẫn cần xác định lại Ta có biểu thức liên hệ sau:
Như vậy đường kính nhỏ nhất của kênh dẫn cần xác định là 0.16 mm Để tính toán kênh dẫn trước hết ta cần có tỷ số chảy của vật liệu đươc khuyến cáo do nhà sản xuất cung cấp
Việc để cho xương keo dễ rớt khi ta mở khuôn thì sau khi tính toán thiết kế đường kính kênh dẫn, ta có thể thay đổi hình dạng tiết diện của kênh dẫn sao cho dễ rớt tự động sau khi khuôn tách ra
Hình 3 19 Tiết diện kênh dẫn
Khi kênh dẫn có tiết diện là hình tròn thì khả năng dẫn nhựa là tốt nhất, lưu lƣợng chảy nhựa là tốt nhất, lƣợng nhựa tiêu tốn là ít nhất nên hiệu quả kinh tế cao
Tuy nhiên việc gia công rãnh tròn và khả năng lắp để 2 nửa tròn khớp với nhau là điều rất khó Ta thường thiết kế kênh dẫn có tiết diện hình thang hoặc hình thang
Thiết kế sản phẩm hoàn thiện
Sản phẩm lõi sau khi đã thiết kế xong cho cả khuôn đực (male connector) và khuôn cái (female connector)
Hình 3 28 Bộ lõi khuôn đực
Hình 3 29 Bộ lõi khuôn cái
Sau khi hoàn thiện thiết kế từng cụm, ta liên kết thành một lõi hoàn chỉnh Để đảm bảo sự an toàn khi đóng khuôn và kiểm tra thiết kế lắp ghép, tại đây ta dùng phần mềm để kiểm tra lõi trùng lắp hoặc giao nhau của chi tiết (interferrence detection)
Hình 3 30 Bộ lõi khuôn hoàn thiện
Nhƣ vậy, ta dùng một bộ khuôn nhƣng thiết kế 2 lõi khuôn cho sản phẩm đầu nối đực và sản phẩm đầu nối cái
Hình 3 31 Khuôn thiết kế hoàn chỉnh
Một số hình ảnh thực tế
Hình 3 32 Điện cực để gia công chi tiết
Hình 3 33 Gia công chi tiết
Hình 3 34 Giao diện máy lúc gia công
Hình 3 35 Đột lỗ chi tiết
Hình 3 36 Gia công cắt dây với đồ gá chuyên dùng
Hình 3 37 Mũi phay đường kính 0.1 mm và gia công phay
Hình 3 38 Mài chi tiết và các rãnh thoát khí
Hình 3 39 Đánh bóng chi tiết với bột mài 3.4.2 Một số chi tiết sau khi gia công
Hình 3 49 Hình chi tiết A10 3.4.3 Kiểm tra chi tiết sau khi gia công
Hình 3 50 Kiểm tra chi tiết sau khi gia công
Hình 3 51 Đo cao độ các rãnh, bậc trong chi tiết 3.4.4 Lắp ghép hoàn chỉnh
Hình 3 52 Lắp ghép các chi tiết của lõi khuôn
Hình 3 53 Lõi khuôn đầu nối cái
Hình 3 54 Tấm di động và tấm cố đ ịnh của bộ khuôn
Hình 3 55 Lõi khuôn sau khi lắp vào tấm đế
Hình 3 56 Tấm khuốn di động của đầu nối cái
Hình 3 57 Bề mặt miệng phun của khuôn
Hình 3 58 Hình sản phẩm sau khi ép
MÔ PHỎNG CÁC QUÁ TRÌNH BẰNG MOLFLOW VÀ THỰC NGHIỆM
Sơ lƣợt về phần mềm mô phỏng
Moldflow là hãng chuyên cung cấp các phần mềm và giải pháp trong lãnh vực phân tích, mô phỏng, tối ƣu hóa điều kiện công nghệ ứng dụng trong ngành sản xuất ra sản phẩm nhựa bằng công nghệ ép phun
Quá trình hình thành, phát triển và những cột mốc đáng ghi nhớ của Moldflow:
+ 1978 Moldflow đƣợc sáng lập bởi Colin Austin, ra mắt phần mềm mô phỏng dòng chảy
+ 1980 Giới thiệu công cụ mô hình hóa hình học phần tử hữu hạn
+ 1989 Phát triển công cụ phân tích có rút và biến dạng
+ 1997 Ra đời sản phẩm Moldflow Part Adviser
+ 1999 Ra đời các phần mềm Moldflow Mold Adviser, Moldflow Plastic Expert, Expert
Phát triển công cụ mô phỏng dòng chảy 3D thực
+ 2000 Cho ra mắt sản phẩm Moldflow Design Link, chính thức mua lại C-MOLD
+ 2001 Giới thiệu phần mềm Moldflow Plastics Insight 3.0, mua lại Branden Technologies, Inc.,
+ 2002 Nâng cấp các phiên bản mới Moldflow Plastic Insight 4.0, Moldflow STL Expert 3.0, Moldflow Plastic Adviser 6.0, Moldflow Design Link 3.0
+ 2003 Cho ra mắt Moldflow Manufacturing SolutionsTM Production Monitoring
+ Nâng cấp các phiên bản Moldflow Plastic Adviser 7.0, Moldflow Design Link 4.0, Moldflow Plastics Insight 4.1 Chính thức mua lại Controle de Processus Industriel s.a.r.l (CPI)
79 + 2004 Đƣa ra phiên bản MoldflowXpress tích hợp và Solidworks, cung cấp giải pháp Moldflow Manufacturing Solution 2.0, chính thức mua lại American MSI Corporation
+ 2005 Công bố sản phẩm mới Moldflow CAD Doctor 2.0, nâng cấp Moldflow Plastic Adviser 7.2, Moldflow STL Expert 2.0, moldflowWorks trở thành đối tác vàng của Solidworks.
Moldflow Plastic Insight ( MPI)
Đây là phần mềm mạnh mẽ và đầy đủ tính năng nhất của Moldflow Ngoài những tính năng của Moldflow Mold Adviser nó còn có những tính năng khác nhƣ:
- Phân phối dưới dạng modul để khách hàng lựa chọn gói sản phẩm phù hợp
- Phân tích đƣợc nhiều dạng khuôn:Gas – assist, Co – injection, Microcellar, Flip chip…
- Quản lí dữ liệu phân tích theo project
- Cung cấp công cụ tạo và xử lí lưới mạnh mẽ
- Có thể kết hợp nhiều quá trình phân tích cùng một lúc và quản lí chúng bằng Job manager
- Kết quả phân tích đƣợc ghi nhận liên tục nên dễ dàng đánh giá, nhận xét.
Các bước phân tích trong quá trình mô phỏng
Chuẩn bị đối tƣợng phân tích
Mô hình tạo ra từ các phần mềm CAD đƣợc đƣa vào Moldflow sau đó đƣợc chuyển sang dạng lưới để chuẩn bị phân tích.Ngoài định dạng chuẩn stl, Moldflow hỗ trợ rất nhiều định dạng khác bằng cách cung cấp thêm Add-in Moldflow Design Link để xử lí những định dạng này
Hình 4 1 Đưa mô hình 3D vào Moldflow
Hình 4 2 Chia lưới cho sản phầm
Lựa chọn vật liệu Cung cấp đầy đủ thông số về loại vật liệu đƣợc sử dụng rất quan trọng vì nó quyết định độ chính xác của kết quả phân tích.Các thông số này có thể nhận đƣợc từ phía nhà cung cấp hoặc trong thƣ viện vật liệu của Moldflow
Hình 4 3 Chọn vật liệu trên phần mềm
Định vị trí miệng phun Đây là một ƣu điểm của Moldflow so với việc tìm vị trí miệng phun bằng cách phán đoán theo kinh nghiệm.Moldflow có thể giúp tìm đƣợc vị trí miệng phun nhƣng ta cũng cần chú ý những yếu tố khác như tính thẩm mĩ của sản phẩm, vị trí đường hàn, kết cấu khuôn mẫu
Hình 4 4 Vị trí miệng phun
Máy ép nhựa có rất nhiều thông số nhƣng tối thiểu ta phải cung cấp cho Moldflow 2 thông số cơ bản là áp lực phun và lực kẹp khuôn để xử lý kết quả.Các thông số về máy có thể có đƣợc từ các công ty hoặc lấy trong thƣ viện của
Bảng 4 1 Thông số máy ép TR05EH Sodick
Chức năng máy Thông số
Lực kẹp lớn nhất 49kN Áp lực ép lớn nhất 197 MPa
Số vùng điều khiển nhiệt độ 4
Định các thông số công nghệ của quá trình ép phun
Các thông số này bao gồm nhiệt độ chảy của vật liệu, nhiệt độ khuôn, thời gian ép phun, áp suất và tốc độ phun Đây là những thông số cơ bản cần thiết cho việc phân tính quá trình điền đầy nhựa vào khuôn
Hình 4 5 Thông số ép thành hình
Kết quả mô phỏng
Hình 4 6 Kết quả mô phỏng về thời gian điền đầy
Hình 4 7 Kiểm tra dòng chảy nhựa
Hình 4 8 Kiểm tra khả năng điền đầy
Hình 4 9 Áp suất phun điền đầy chi tiết
Hình 4 10 Nhiệt độ trung bình khi ép sản phẩm
Hình 4 11 Vị trí các khí dư trong sản phẩm
Hình 4 12 Vị trí đường hàn
Hình 4 13 Các phần đông cứng sau khi điền đầy
Ép thực nghiệm
Quá trình thực nghiệm đƣợc tiến hành trên máy ép Sodick TR05EH với các thông số sau :
Bảng 4 2 Các thông số kỹ thuật của máy ép nhựa thực nghiệm Sodick TR05EH
Chức năng máy Thông số
Lực kẹp lớn nhất 49kN
Chiều dày khuôn nhỏ nhất 120 mm Chiều dày khuôn lớn nhất 300 mm
Chiều dài đẩy chốt 30 mm Đường kính trục vít 14mm Đường kính piston 12mm Áp lực ép lớn nhất 197 MPa
Số vùng điều khiển nhiệt độ 4
Hình 4 14 Máy ép nhựa Sodick TR05EH
Lên khuôn cho máy ép
Hình 4 15 Khuôn đã được canh chỉnh lên máy
Hình 4 16 Giao diện chỉnh máy
Kiểm tra nhiệt độ khuôn
Hình 4 17 Kiểm tra nhiệt độ khuôn
4.5.1 Thông số và kết quả thực nghiệm
Thực nghiệm định lƣợng nhựa
Bảng 4 3 Thông số mô phỏng và thực nghiệm 1
Thông số Mô phỏng thực nghiệm
Nhiệt độ nhựa khi phun 340 o C 340 o C Áp suất phun 30 MPa 30 MPa
Hình 4 18 Mô phỏng sự điền đầy liệu và ép thực nghiệm 1
Kết luận : Sản phẩm sau khi ép tương thích với mô phỏng điền đầy 80% Ta tiếp tục tăng định lƣợng nhựa
Bảng 4 4 Thông số mô phỏng và thực nghiệm 2
Thông số Mô phỏng thực nghiệm
Nhiệt độ nhựa khi phun 340 o C 340 o C Áp suất phun 30 MPa 30 MPa
Hình 4 19 Mô phỏng sự điền đầy liệu và ép thực nghiệm 2
Kết luận : Sản phẩm sau khi ép tương thích với mô phỏng điền đầy 90% Ta tiếp tục tăng định lƣợng nhựa
Bảng 4 5 Thông số mô phỏng và thực nghiệm 3
Thông số Mô phỏng thực nghiệm
Nhiệt độ nhựa khi phun 340 o C 340 o C Áp suất phun 30 MPa 30 MPa
Hình 4 20 Mô phỏng sự điền đầy liệu và ép thực nghiệm 3
Kết luận : Sản phẩm sau khi ép tương thích với mô phỏng điền đầy 99% Tuy sản phẩm đã đạt về ngoại quan, ta tiếp tục tăng định lƣợng nhựa
Bảng 4 6 Thông số mô phỏng và thực nghiệm 4
Thông số Mô phỏng thực nghiệm
93 Nhiệt độ nhựa khi phun 340 o C 340 o C Áp suất phun 30 MPa 30 MPa
Kết luận đánh giá về ngoại quan: Sau khi lần lƣợt thay đổi định lƣợng thể tích nhựa, ta thấy được sự mô phỏng bằng phần mềm và thực tế ép thử là tương đối giống nhau Ở lần ép cuối cùng khi tăng thêm lƣợng nhựa, thì đánh giá ngoại quan là bề mặt sản phẩm tốt hơn và bóng và đẹp hơn
Và đồng thời dựa trên mô phỏng sự điền đầy đã kiểm chứng về vị trí đường hàn của sản phẩm là đúng với ngoại quan khi ép thực nghiệm
Hình 4 22 Mô phỏng đường hàn và ép thực nghiệm
4.5.2 Kiểm tra kích thước và khối lượng sản phẩm sau khi ép
Bản vẽ kỹ thuật yêu cầu của sản phẩm
Hình 4 23 Đánh số dữ liệu đo đầu nối cái
Hình 4 24 Máy đo hiển vi Nikon Micro scope STM7-CB
+ Mã máy đo : MM012 + Độ chính xác : 1/10000
Bảng 4 7 Thông số dữ liệu đo của sản phẩm đầu nối cái
STT Kích thước yêu cầu
Kết quả Lần 1 Lần 2 Lần 3 ̅ ̅
96 Nhận xét : Ta thấy giá trị x i nhỏ hơn giá trị kích thước yêu cầu bản vẽ Do vậy ta kết luận kích thước sản phẩm đạt yêu cầu kích thước của bản vẽ
Hình 4 25 Đánh số dữ liệu đo đầu nối đực Bảng 4 8 Thông số dữ liệu đo của sản phẩm đầu nối đực
STT Kích thước yêu cầu
Lần 1 Lần 2 Lần 3 Giá trị
Nhận xét : Ta thấy giá trị x i nhỏ hơn giá trị kích thước yêu cầu Do vậy ta kết luận kích thước sản phẩm đạt yêu cầu kích thước của bản vẽ
- Để xác định độ tin cậy của các giá trị đo ta dùng quy tắc 3 , Ở đây vì là sản phẩm micro nên ta chọn kích thước micro pin và micro clock để đánh giá
- Ta tiến hành thực nghiệm nhƣ sau Ép cùng chế độ nhƣ trên Lấy 10 mẫu sản phẩm, mỗi mẫu ta tiến hành đo 3 lần Ta có bảng giá trị sau :
Bảng 4 9 Số liệu đo kích thước micro clock của đầu nối cái
Kích thước yêu cầu Kích thước thực tế Ghi chú
Ta có giá trị trung bình :
Giá trị dung sai cho phép của kich thước là :
Vậy mức độ tin cậy của kết quả đo là 99.7%
Bảng 4 10 Số liệu đo kích thước micro clock của đầu nối đực
Số lần đo Kích thước yêu cầu Kích thước thực tế Ghi chú
Ta có giá trị trung bình : ̅ Độ lệch chuẩn :
Giá trị dung sai cho phép của kích thước là :
Vậy mức độ tin cậy của kết quả đo là 99.7%
Bảng 4 11 Số liệu đo kích thước pin của đầu nối đực
Số lần đo Kích thước yêu cầu Kích thước thực tế Ghi chú
Ta có giá trị trung bình : ̅ Độ lệch chuẩn :
Giá trị dung sai cho phép của kich thước là :
Vậy mức độ tin cậy của kết quả đo là 99.7%
Kết luận : các thông số kích thước của sản phẩm ép thực nghiệm micro pin và micro clock của đầu nối đực và đầu nối cái đều đạt mức độ tin cậy cao
Cân khối lƣợng sản phẩm (g):
Hình 4 26 Khối lượng của sản phẩm đạt tiêu chí của sản phẩm kích thước micro
Kết luận : Khối lƣợng sản phẩm nhỏ hơn 0,1 g Đạt tiêu chí sản phẩm micro
