Vì vậy, trọng tâm công việc của chúng tôi là thiết kế, mô phỏng và sản xuất khuôn có hệ thống kênh làm mát 3D, áp dụng kết hợp kỹ thuật hàn và in kim loại 3D... Hệ thống làm mát cho khuô
GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Trong thế giới hiện đại, nhựa là vật liệu phổ biến trong nhiều sản phẩm, và ép phun nhựa là một kỹ thuật quan trọng trong ngành công nghiệp này Thiết kế khuôn phun ép nhựa, bao gồm cả khuôn âm và khuôn dương, có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm và khả năng tiết kiệm chi phí cho doanh nghiệp.
Hệ thống làm mát cho khuôn ép nhựa đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất, chiếm khoảng một nửa thời gian chu kỳ ép phun Quá trình làm nguội đồng đều các chi tiết ép có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm, giúp giảm cong vênh và ứng suất dư Việc thiết kế đường làm mát 3D theo hình dạng chi tiết ép bằng công nghệ in 3D kim loại không chỉ cải thiện hiệu quả làm nguội mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm.
Nghiên cứu gần đây cho thấy hệ thống làm mát theo bề mặt chi tiết hiệu quả hơn so với kênh làm mát truyền thống qua khoan lỗ thẳng, đặc biệt cho các chi tiết đúc phức tạp Hệ thống này giúp giảm thời gian làm nguội và hạn chế độ cong vênh của chi tiết do co rút và biến dạng nhiệt.
Ahn D.G và cộng sự đã áp dụng công nghệ in 3D nung chảy bằng laser để chế tạo khuôn cho chi tiết cánh quạt điện, qua đó giảm thời gian làm nguội khoảng 35% Sự cải tiến này không chỉ giúp rút ngắn thời gian chu kỳ sản xuất mà còn tăng năng suất đúc và giảm chi phí sản xuất.
Hệ thống làm mát theo bề mặt chi tiết có hiệu năng cao hơn và phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn đồng đều hơn so với hệ thống làm mát truyền thống Tuy nhiên, để đạt được hiệu quả tối đa, hệ thống này cần được thiết kế tối ưu Mặc dù đã có một số nghiên cứu về tối ưu hóa hệ thống làm mát, nhưng cách thiết kế tốt nhất vẫn chưa được nghiên cứu một cách kỹ lưỡng.
Jahan và El-Mounayri, cùng với Wu và cộng sự, đã tối ưu hóa các thông số của kênh làm mát thông qua mô phỏng số và quy hoạch thực nghiệm trên hình trụ đơn giản Mặc dù nhiều nghiên cứu đã phát triển các phương pháp tối ưu hóa hệ thống làm mát cho bề mặt chi tiết đúc nhằm nâng cao hiệu quả, chúng thường chỉ áp dụng cho các hệ thống đơn giản Đối với các chi tiết đúc phức tạp, yêu cầu về hệ thống làm mát cũng như quá trình tối ưu hóa trở nên khó khăn hơn Việc tối ưu hóa hiệu năng của hệ thống làm mát theo bề mặt chi tiết là rất quan trọng, nhất là khi công nghệ in 3D kim loại hiện tại còn đắt đỏ và không phải tất cả các loại kim loại đều có thể in được.
Hệ thống làm mát theo bề mặt chi tiết có hiệu quả hơn so với kênh làm mát truyền thống, tùy thuộc vào độ phức tạp của chi tiết và thiết kế tối ưu Nghiên cứu này giới thiệu một hệ thống kênh làm mát cong bám sát bề mặt lòng khuôn, được chế tạo bằng công nghệ in 3D kim loại Phương pháp thiết kế này được tối ưu hóa về hiệu năng và công nghệ, minh họa qua một sản phẩm nhựa có hình dáng phức tạp.
Trong những năm gần đây, công nghệ in 3D tại Việt Nam đã phát triển mạnh mẽ, đánh dấu một cuộc cách mạng trong quy trình sản xuất Hiện nay, công nghệ này chủ yếu được sử dụng để tạo mẫu và sản xuất các sản phẩm nhựa Tuy nhiên, để đạt được độ chính xác cao, việc sở hữu và vận hành thiết bị in 3D vẫn đòi hỏi một chi phí đáng kể.
PGS TS Phạm Sơn Minh đã giới thiệu một phương pháp mới trong gia công hệ thống làm mát 3D, kết hợp các công nghệ như hàn đắp, biến dạng cục bộ kim loại tấm và phay CNC Mục tiêu chính của đề xuất này là thay thế công nghệ in 3D kim loại trong khi vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Nhóm đồ án đã hợp tác với PGS TS Phạm Sơn Minh để thực hiện dự án “Thiết kế và chế tạo khuôn phun ép nhựa sản phẩm CAX5 dạng tấm có dùng đường nước dạng layer” Dự án này được thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy TS Trần Minh Thế Uyên, với mục tiêu cung cấp quy trình gia công hệ thống làm mát 3D.
Ý nghĩa đề tài
Với sự phát triển của ngành sản xuất, khuôn phun ép nhựa trở thành yếu tố quan trọng trong việc sản xuất sản phẩm nhựa Đồ án này được thực hiện nhằm ứng dụng công nghệ in 3D, góp phần thúc đẩy nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực công nghệ ép phun nhựa, một lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam hiện nay Mục tiêu chính của đồ án bao gồm việc cải thiện quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm nhựa.
Khuôn phun ép nhựa nâng cao chất lượng sản phẩm nhờ vào khả năng sản xuất các sản phẩm nhựa với độ chính xác cao, đồng thời giảm thiểu tình trạng cong vênh và ứng suất dư.
- Tiết kiệm nguyên liệu: Giảm thiểu phế phẩm sau khi ép, góp phần tiết kiệm nguyên liệu
- Tăng năng suất sản xuất: Giảm thời gian làm nguội, từ đó sản xuất được nhiều sản phẩm hơn, tăng năng suất và giảm chi phí lao động
- Tính kinh tế: Giảm đáng kể chi phí gia công bằng cách hạn chế sự phụ thuộc vào thiết bị đắt đỏ từ nước ngoài.
Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và phân tích hệ thống làm mát 3D trong khuôn ép nhựa
- Thiết kế sản phẩm và khuôn ép nhựa bằng các phần mềm hỗ trợ
- Chế tạo khuôn ép nhựa với hệ thống làm mát 3D cho sản phẩm
- Đảm bảo sản phẩm thiết kế đạt yêu cầu
- Tham khảo tài liệu về khuôn ép nhựa, tích lũy kiến thức qua thời gian
- Thu thập tài liệu tham khảo từ sách, giáo trình, các nghiên cứu và Internet
- Sử dụng phần mềm PTC Creo Parametric 10.0 và Inventor để thiết kế sản phẩm và khuôn
- Sử dụng phầm mềm Moldex3D để phân tích nhiệt độ hệ thống làm mát 3D và mô phỏng quá trình ép nhựa.
Phạm vi nghiên cứu
Đồ án này tập trung vào việc cải tiến phương pháp gia công để phát triển công nghệ in 3D cho khuôn phun ép nhựa Việc chuyển từ giải nhiệt thông thường sang giải nhiệt 3D không chỉ giúp giảm thời gian làm nguội sản phẩm mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm, từ đó gia tăng hiệu quả kinh tế Nội dung chính bao gồm thiết kế kênh giải nhiệt 3D cho tấm khuôn âm, thiết kế chi tiết ép, phân tích nhiệt độ làm nguội và mô phỏng quá trình ép phun.
- Phạm vi thời gian: Đồ án tốt nghiệp sẽ được thực hiện từ ngày 19/02/2024 đến ngày 01/07/2024.
Kết cấu đồ án tốt nghiệp
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết
- Chương 3: Thiết kế tấm khuôn âm cho tấm khuôn CAX5
- Chương 4: Thiết kế và chế tạo kênh giải nhiệt dạng layer cho tấm khuôn
- Chương 5: Thực hiện quá trình in 3D kim loại
- Chương 6: Gia công hoàn thiện tấm khuôn CAX5 và đánh giá hiệu quả giải nhiệt bằng kênh dẫn layer
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Công nghệ phay CNC 3 trục
2.1.1 Máy công cụ điều khiển bằng chương trình số (máy CNC)
2.1.1.1 Tổng quan Ở các máy cắt thông thường, việc điều khiển và thay đổi tốc độ thường được thực hiện thủ công, gây tốn thời gian và không tối ưu hóa hiệu suất Để giảm thời gian và tự động hóa quy trình, sản xuất hàng loạt lớn thường sử dụng máy tự động với các phương pháp như sử dụng mẫu sao chép và cam trên trục phân phối Máy công cụ điều khiển số (máy NC) là máy tự động điều khiển các hoạt động dựa trên các lệnh dữ liệu Máy CNC (Computer Numerical Control) giúp tối ưu hóa quá trình gia công, cho phép gia công các chi tiết phức tạp.[2]
2.1.1.2 Mô hình khái quát một máy CNC
Bộ phận điều khiển bao gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển
Chương trình điều khiển là tập hợp tín hiệu dùng để điều khiển hoạt động của máy, được biểu diễn bằng chữ, số và các ký hiệu như cộng, trừ, dấu chấm, dấu gạch ngang, và nghiêng Chương trình này được mã hóa và lưu trữ dưới dạng mã số.
Máy CNC hoạt động dựa trên cơ chế điều khiển phần cứng, nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình và điều chỉnh để tạo ra tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ cấu thực thi Quá trình này bao gồm các bước đọc, giải mã, chuyển đổi và xử lý tín hiệu, cùng với nội suy, so sánh và khuếch đại Hệ thống cũng đo hành trình và vận tốc, sử dụng bộ nhớ cùng với các thiết bị đầu vào và đầu ra tín hiệu, đồng thời kiểm tra hoạt động thông qua cảm biến tiếp xúc phía sau.
Phần chấp hành máy phay CNC Fanuc
Máy cắt kim loại được trang bị nhiều cơ chế tự động hóa như thao tác, cất dao, bôi trơn, thổi phôi và cấp phôi, tham gia trực tiếp vào quá trình cắt và tạo hình chi tiết Mỗi bộ phận của máy đều có thiết kế riêng biệt, đảm bảo khả năng điều khiển tự động ổn định và chính xác, đồng thời nâng cao công nghệ của máy.
Hộp tốc độ là thiết bị có khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt với dải điều chỉnh rộng, thường được trang bị hộp số vô cấp và sử dụng ly hợp điện từ để thay đổi tốc độ một cách hiệu quả.
Hộp dụng cụ thường được trang bị nguồn truyền động riêng, chủ yếu là động cơ bước Trong hệ thống truyền động xích, các phương pháp loại bỏ khe hở như vít me - đai ốc bi được áp dụng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Máy có thân cứng với thiết kế kết cấu tối ưu giúp đột bao hình hiệu quả, đảm bảo quá trình tưới nước diễn ra êm ái Ngoài ra, việc thay dao tự động và điều chỉnh dễ dàng là điểm nổi bật, nhiều máy còn được trang bị bộ điều khiển và thiết bị điều chỉnh tự động khi lưỡi dao bị mòn.
Phương pháp điều khiển: Điều khiển điểm, đường, đường viền
2.1.1.3 Hệ trục tọa độ trên máy CNC
Theo tiêu chuẩn ISO, gia công trên máy CNC phải tuân theo hệ tọa độ Descartes và nguyên lý bàn tay phải, bao gồm ba chuyển động tịnh tiến.
3 chuyển động quay dọc theo các trục tương ứng [2]
Trục Z trên máy CNC đại diện cho trục chính, với chiều dương làm tăng khoảng cách giữa dụng cụ và chi tiết gia công, và chiều quay dương theo chiều kim đồng hồ Trong khi đó, trục X thể hiện chuyển động tịnh tiến lớn nhất của máy CNC.
Trục Y được hình thành từ hai trục trên trong hệ tọa độ
Khi thiết lập hệ tọa độ cho máy CNC, việc đảm bảo các chi tiết đứng yên trong khi dao di chuyển theo các hướng của hệ tọa độ là cực kỳ quan trọng.
Hệ tọa độ của máy CNC được chia thành các tiêu chuẩn cơ bản sau:
R (Machine Point): Vị trí máy tiêu chuẩn, dùng để đo từ vị trí này sang vị trí khác trong quá trình làm việc Không thể thay đổi
T (Tool Offset): Hiệu chỉnh vị trí dao, xác định vị trí của dao cắt sau khi đưa dao vào hốc dao Không thể thay đổi
W (Work Point) là vị trí bộ phận tiêu chuẩn, đóng vai trò làm gốc cho hệ tọa độ trong quá trình gia công Vị trí này có thể được điều chỉnh theo nhu cầu sử dụng.
Điểm chương trình (P) là vị trí tiêu chuẩn được sử dụng làm gốc cho hệ tọa độ trong quá trình chỉnh sửa chương trình Người lập trình có thể thay đổi điểm này theo ý muốn, nhưng nó cần phải tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế được quy định trong bản vẽ chi tiết.
2.1.1.4 Các bước thực hiện gia công trên máy CNC
- Nghiên cứu công nghệ gia công chỉ tiết
- Thiết kế hành trình cắt
- Lập chương trình điều khiển NC Đây là công đoạn cực kỳ quan trọng trong quá trình vận hành máy CNC Có hai phương pháp lập trình:
Phương pháp lập trình thủ công (Manual Programming) là kỹ thuật lập trình không sử dụng máy tính, trong đó người lập trình tự tay viết chương trình NC bằng cách xác định chính xác tọa độ chuyển động của dao Kỹ năng này rất quan trọng đối với người lập trình NC, giúp họ hiểu và chỉnh sửa chương trình trong quá trình máy CNC hoạt động.
Các chương trình NC có thể được nhập vào hệ thống điều khiển máy bằng cách:
- C1 Nhập từ các phương tiện trung gian như băng đục lỗ, băng từ, đĩa từ
Nhập liệu từ bảng điều khiển thông qua chế độ MDI (Nhập dữ liệu thủ công) trên máy CNC là một phương pháp phổ biến Hầu hết các cơ sở sản xuất hiện nay đều áp dụng máy NC/CNC, kết hợp cả hai phương pháp trong quy trình lập trình để tối ưu hóa hiệu suất sản xuất.
Phương pháp lập trình tự động là kỹ thuật sử dụng máy tính để lập trình, thông qua việc áp dụng ngôn ngữ xử lý hình học hoặc phần mềm CAD/CAM nhằm tự động chuyển đổi dữ liệu hình học và công nghệ thành chương trình NC.
2.1.1.5 Kiểm tra chương trình điều khiển NC
Trước khi thực hiện gia công trên máy, chương trình cần được kiểm tra và điều chỉnh Có hai cách để thực hiện bài kiểm tra:
- Kiểm tra thủ công: Kiểm tra chương trình bằng trực quan và vẽ các chi tiết gia công bằng tay
Công nghệ hàn MIG
Khái niệm và nguyên lý hàn MIG:
Quá trình hàn MIG sử dụng nhiệt từ hồ quang để nung chảy các dây điện cực rắn, với lớp hàn được bảo vệ bởi khí trơ Phương pháp này được xem là hàn bán tự động nhờ sự kết hợp giữa nguồn nhiệt và khí trơ trong quá trình hàn.
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý hàn MIG
Hình 2.9: Hình dạng mối hàn trên tấm khuôn
Hình 2.10: Hình dạng mối hàn của kim loại ngấu với hỗn hợp khí Ar và Oxy Bảng 2.1: Ứng dụng của khí bảo vệ của kim loại hàn
Hợp kim đồng Niken Titan
Chú thích: x: Khí bảo vệ thích hợp với kim loại hàn [3]
Khi dòng điện hàn tăng, tốc độ cấp dây hàn cũng tăng theo, dẫn đến sự gia tăng tốc độ dòng chảy, chiều rộng và độ xuyên của mối hàn Ở cùng một mức dòng hàn, dây hàn có đường kính nhỏ sẽ nóng chảy nhanh hơn và nhiều hơn so với dây hàn có đường kính lớn.
Khi điện áp hồ quang tăng, chiều dài hồ quang và bề mặt kim loại trong mối hàn trở nên phẳng hơn; ngược lại, khi điện áp giảm, chiều dài hồ quang giảm và bề mặt kim loại lồi lên Điện áp hồ quang không chỉ duy trì độ ổn định của hồ quang mà còn ảnh hưởng đến lượng kim loại bắn tóe.
Hình 2.12: Quan hệ giữa điện áp hồ quang và hình dạng mối hàn 2.2.2.3 Tốc độ hàn
Khi dòng điện hàn và điện áp hồ quang được giữ cố định, việc tăng tốc độ hàn sẽ dẫn đến sự giảm sút về chiều rộng mối hàn, độ ngấu và chiều cao của phần đắp.
Hình 2.13: Đồ thị quan hệ giữa tốc độ hàn và hình dạng mối hàn 2.2.3 Thao tác mỏ hàn
Sử dụng phương pháp hàn trái như hàn MIG, bạn nên đẩy mỏ hàn về phía trước thay vì kéo mỏ hàn như trong hàn hồ quang bằng que hàn.
Giữ mỏ hàn ở góc 10 đến 20 độ theo phương thẳng đứng và di chuyển mỏ hàn về phía trước
Hình 2.144: Hướng hàn (Hàn trái)
Tốc độ hàn trong hàn MIG phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm bể hàn, hồ quang, phần không hàn, kim loại mối hàn, độ ngấu và chiều dài bể hàn Khoảng cách giữa vòi hàn và kim loại mối hàn, cụ thể là phần nhô ra của đầu dây hàn, cũng có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hàn.
Trong quá trình hàn MIG, khoảng cách giữa miệng phun và kim loại hàn đóng vai trò quan trọng Khi khoảng cách này tăng lên, nhiệt độ của dây hàn sẽ tăng, trong khi dòng điện hàn cung cấp cho dây hàn sẽ giảm Để đảm bảo hiệu suất hàn tối ưu, khoảng cách này thường được duy trì trong khoảng từ 10 đến 20mm.
2.2.4 Vận hành thiết bị hàn MIG
2.2.4.1 Vật liệu và thiết bị
Tấm kim loại, dõy hàn ỉ1,2
Bộ dụng cụ và thiết bị hàn MIG, bộ bảo hộ hàn [3]
2.2.4.2 Trình tự tiến hành hàn
- Kiểm tra đầu nối và cáp điện đầu hàn
- Xác minh kết nối cáp điện đầu ra (+) với dụng cụ đẩy dây hàn và (-) với bàn hàn
- Kiểm tra đầu nối ống dẫn khí và cáp điện đầu ra
- Xác định kích cỡ con lăn đẩy dây hàn phù hợp với đường kính dây hàn
- Thao tác chi tiết mỏ hàn: ống phun khí, ống phân phối khí, bép hàn
- Lắp cuộn dây hàn vào bộ đẩy dây
- Nhấn nút INCHING để dây hàn thò ra ngoài
- Kiểm tra bép hàn, ống dẫn khí để đảm bảo hoạt động bình thường
- Lắp lại các chi tiết của mỏ hàn
- Mở van khí bảo vệ và điều chỉnh áp suất khí ra mỏ hàn
- Bật công tắc điều chỉnh khí sang vị trí CHECK và điều chỉnh lượng khí ra mỏ hàn là 15l/phút
- Chuyển công tắc điều chỉnh khí sang WELD
- Bật công tắc chế độ làm mát mỏ hàn sang AIR
- Bật công tắc điều khiển dòng điện và điện áp ở ONE-KNOB
- Đặt núm điều chỉnh điện áp trên bảng điều khiển từ xa và núm điều chỉnh dòng điện ở mức 140A
- Bật công tắc trên mỏ hàn để tạo hồ quang và kiểm tra lại hồ quang đã được tạo chưa [3]
THIẾT KẾ TẤM KHUÔN ÂM CHO KHUÔN CAX5
Tính toán thiết kế khuôn âm
Từ các yêu cầu sử dụng của chi tiết, yêu cầu kỹ thuật sẽ được tính toán như sau:
- Chi tiết cú độ búng cao Chọn Ra = 0.8 àm (bảng 2-29, Sổ tay dung sai lắp ghộp)
- Đảm bảo độ cứng vững, không bị cong vênh
- Độ dày chi tiết đồng đều, không vết nứt
- Dễ chế tạo đảm bảo yêu cầu của sản phẩm
Hình 3.1: Sản phẩm tấm CAX5
Mô phỏng hình dáng sản phẩm bằng phần mềm Creo Parametric 10.0 để thiết kế 3D sản phẩm với các yêu cầu đặt ra:
Hình 3.2: Thiết kế sản phẩm trên Creo Parametric 3.1.2 Thiết kế tấm khuôn âm
Từ sản phẩm đã được cung cấp, sử dụng phần mềm Creo Parametric thiết kế tấm khuôn theo tiêu chuẩn Misumi
+ Thép C45 được sử dụng để gia công tấm khuôn
+ Phôi dạng tấm vừa đủ để gia công tấm khuôn
Chú thích: (a)hình chiếu đứng; (b)hình chiếu mặt cắt B-B; (c) hinh chiếu mặt cắt
A-A Hình 3.3: Kích thước chi tiết của tấm khuôn âm
Mô phỏng hình dáng sản phẩm dưới dạng 3D:
Hình 3.4: Mô phỏng tấm khuôn âm trên Creo Parametric
Tính toán thiết kế hệ thống giải nhiệt dạng layer
Kích thước kênh giải nhiệt:
Bề dày sản phẩm là 1mm
Hình 3.5: Hình dạng kênh giải nhiệt dạng layer ứng với biên dạng sản phẩm Inlet và Outlet có đường kính là 8mm
Khoảng cách từ kênh đến bề mặt sản phẩm là 7mm
Chiều cao kênh là 8mm
Tính toán, mô phỏng thông số ép và chất lượng sản phẩm tấm CAX5
Nylon, hay còn gọi là Polyamide (PA), nổi bật với sức mạnh cơ học vượt trội và khả năng chịu nhiệt cao Nó có hệ số ma sát thấp, khả năng chống mài mòn, tự bôi trơn, giảm chấn và tiếng ồn, cùng với khả năng kháng dầu và hấp thụ sốc ở nhiệt độ và độ ẩm cao Vật liệu này đã thay thế nhiều chất liệu truyền thống trong các ứng dụng công nghiệp.
Trong các ứng dụng công nghiệp, vũ trụ, quân sự và nhiều lĩnh vực khác, 23 loại kim loại đóng vai trò quan trọng, chẳng hạn như trong cấu trúc tổ ong, điện thoại di động và máy móc Những kim loại này không chỉ mang lại hiệu suất vượt trội mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của các công nghệ hiện đại.
Bảng 3.1: Thông số ép phun nhựa PA6
Nhiệt độ khuôn (ºC) 40-60 Áp suất phun (Mpa) 90-140
3.3.3 Mô phỏng thông số ép
Hình 3.7: Thời gian điền đầy sản phẩm nhựa Nhựa PA6 30%GF thời gian điền đầy là 1,011s
24 Áp suất phun ở cuối quá trình điền đầy
Hình 3.8: Áp suất cuối quá trình điền đầy Áp suất cuối quá trình điền đầy là 85.061Mp
Nhiệt độ trong quá trình điền đầy
Hình 3.9: Nhiệt độ trong quá trình điền đầy Nhiệt độ phân bố ở kênh dẫn nhựa là cao nhất 265,317ºC
Hình 3.10: Hiện tượng rỗ khí Đường hàn
Hình 3.12: Thời gian làm nguội sản phẩm Thời gian làm nguội tối đa là 27,579s Độ cong vênh
Hình 3.13: Độ cong vênh của sản phẩm ở dạng Total Displacement Độ cong vênh của sản phẩm ở dạng Total Displacement tối đa là 0,315mm và thấp nhất là 0,09mm
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO KÊNH GIẢI NHIỆT DẠNG LAYER
Công nghệ phay CNC
Máy phay CNC Matsuura MC-760VX
Hình 4.1: Máy phay CNC Matsuura MC-760VX Bảng 4.1: Thông số máy phay
Kiểu máy (Model) MC-760VX
Hẹ điều hành (System control) YASNAC MX3
Hành trình (Travel) X: 760mm; Y: 440mm; Z: 480mm
Kích thước bàn (Table size) 500 x 900mm
Loại đầu dao (Spindle taper) BT40
Tốc độ trục chính (Spindle speed) 6000RPM
Tự động thay dao (ATC tool change) Có, 30 dao
Quy trình công nghệ gia công kênh giải nhiệt dạng layer cho khuôn âm
Hình 4.2: Kích thước chi tiết kênh giải nhệt 4.2.2 Lập quy trình gia công
Chọn phôi tấm thép C45, có kích thước bao 220x165x40mm
Gia công tinh 6 bề mặt phôi để đạt kích thước 215x160x35mm
Bảng 4.2: Quy trình công nghệ gia công kênh giải nhiệt
Loại dao Chế độ cắt
3 Phay thô hốc kênh dẫn
4 Phay tinh hốc kênh dẫn
Bảng 4.3: Minh họa quy trình gia công tấm khuôn âm
Nội dung gia công Hình ảnh minh họa
Chọn kích thước phôi 220x165x40mm
Gia công tinh 6 bề mặt khuôn đạt kích thước 215x160x35mm
Gia công hốc kênh dẫn
Cắt dây tấm chắn kênh dẫn
Ghép tấm chắn với khuôn âm
Gia công kênh giải nhiệt dạng layer cho tấm khuôn âm
Quá trình được thực hiên trên máy phay CNC Matsuura MC-760VX
Bảng 4.4: Quá trình gia công kênh giải nhiệt dạng layer
Các bước gia công Hình ảnh gia công
Phay hốc kênh giải nhiệt
32 Hình 4.3: Hoàn thành gia công kênh giải nhiệt dạng layer cho khuôn âm
Hình 4.4: Ghép tấm chắn trên kênh giải nhiệt
TIẾN HÀNH QUÁ TRÌNH IN 3D KIM LOẠI
Sơ lược công nghệ in 3D kim loại theo công nghệ bồi đắp kim loại
Bao gồm: Súng hàn, nguồn điện hàn, bộ cấp dây hàn, bộ cung cấp khí bảo vệ và nước làm nguội,…
Hình 5.1: Súng hàn Súng hàn có cấu tạo bao gồm: Chụp khí, béc hàn, cổ cong, công tắc, thân súng hàn, ống dẫn khí, ruột dây hàn, bọc cáp
Máy hàn được sử dụng: máy hàn Forton MIG-270
Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật
Thông số kỹ thuật Máy hàn Forton MIG-270 Điện áp vào AC 380 ± 15% (3pha), 50Hz
Phạm vi điều chỉnh dòng hàn 50-250V Điện áp không tải 50V
Cấp cách điện F Đường kính dây hàn 0.8-1mm
Hệ số công suất (COSφ) 0.7
Hình 5.2: Nguồn máy hàn 5.1.1.3 Bộ cấp dây hàn
Bộ cấp dây hàn trong máy hàn MIG bao gồm các thành phần thiết yếu như cuộn dây, bép dẫn hướng, bánh xe ép, bánh chủ động và ống dẫn dây ra súng hàn Tất cả các bộ phận này phối hợp chặt chẽ, giúp người dùng điều chỉnh tốc độ cấp dây một cách chính xác và hiệu quả.
Bộ cấp dây là thiết bị thiết yếu trong hàn, giúp cung cấp dây hàn một cách đều đặn và ổn định, từ đó tạo ra mối hàn chất lượng cao.
5.1.1.4 Bộ cung cấp khí bảo vệ
Bộ cung cấp khí bảo vệ trong máy hàn MIG là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu suất trong quá trình hàn
Hình 5.3: Bộ cung cấp khí bảo vệ 5.1.2 Vật liệu hàn
Dây hàn thép carbon là loại dây rắn được kéo với độ chính xác cao và có hàm lượng hợp kim thấp Đường kớnh dõy hàn khoảng ỉ0.6 đến ỉ2.4mm
Dây hàn được cấu tạo từ các thành phần cơ bản như Carbon (0.06%-0.08%) giúp tăng cường độ cứng và bền, Mangan (1%-1.5%) cải thiện độ dẻo, Silic (0.6%-0.9%) kiểm soát quá trình oxy hóa, Lưu huỳnh (0.025%) có tác dụng làm sạch kim loại, và Photpho (0.025%) giúp ổn định mối hàn.
5.1.2.2 Khí bảo vệ Đối với thiết bị sẵn có sử dụng một trong 2 loại khí là Argon và CO2
Bảng 5.2: So sánh môi trường hàn khí Argon và CO2
Tạo mối hàn ngấu sâu, gồ ghề Hiệu quả làm sạch bề mặt tốt
Kim loại đắp chặt, mối hàn kém dẻo do hồ quang vẫn có tính oxy hóa
Tạo mối hàn ngấu sâu, gồ ghề Hiệu quả làm sạch bề mặt kém hơn
Kim loại đắp rất chặt, mối hàn kém dẻo do hồ quang vẫn có tính oxy hóa
5.1.3 Thiết bị gia công kênh giải nhiệt dạng layer
Thiết bị có cấu tạo giống máy phay CNC bao gồm khung máy, trục chính, bàn máy, bộ điều khiển CNC,…
Kết nối hệ thống máy hàn với thiết bị CNC
Hình 5.5: Sơ đồ kết nối máy hàn với thiết bị CNC [6]
Lập quy trình công nghệ in 3D
Các bước thực hiện Hình ảnh minh họa
1 Hàn đính (phần màu đỏ) tấm chắn nước
(phần màu vàng) với tấm khuôn âm
-Tốc độ di chuyển bàn máy 315mm/phút
- Khoảng cách mỗi đường hàn 3.5mm
Sau khi hàn xong để nguội 20-30 phút sau đó tiếp tục lớp thứ 2
-Tốc độ di chuyển bàn máy 315mm/phút
- Khoảng cách mỗi đường hàn 3.5mm
Sau khi hàn xong để nguội 20-30 phút sau đó tiếp tục lớp thứ 3
-Tốc độ di chuyển bàn máy 315mm/phút
- Khoảng cách mỗi đường hàn 3.5mm
Chiều cao lớp hàn so với bề mặt tấm khuôn
Sau khi hoàn tất quá trình bồi đắp để nguội và tiến hành tháo xuống
Quá trình in 3D kim loại
Bảng 5.4: Quá trình thực hiện thực tế
Quá trình thực hiện Hình ảnh thực tế
1 Gá khuôn lên tấm giải nhiệt
Sử dụng keo silicone dán xung quanh để tránh bị rò rỉ nước
Trong quá trình bồi đắp, nhiệt độ tấm khuôn tăng liên tục sẽ làm cho tấm khuôn bị cong
Tấm giải nhiệt giúp duy trì nhiệt độ khoảng 100ºC tránh khuôn bị cong
2 Hàn dính tấm chắn nước sẽ giúp tấm chắn không bị cong khi bắt đầu quá trình bồi đắp
3 Sử dụng G-code đi theo biên dạng khuôn Đảm bảo không bị lệch quỹ đạo trong quá trình hàn
-Tốc độ di chuyển bàn máy
- Khoảng cách mỗi đường hàn
- Chiều cao đường hàn 2.5mm
Sau khi hàn xong để nguội
20-30 phút sau đó tiếp tục lớp thứ 2
-Tốc độ di chuyển bàn máy
- Khoảng cách mỗi đường hàn
- Chiều cao đường hàn 2.5mm
Sau khi hàn xong để nguội
20-30 phút sau đó tiếp tục lớp thứ 3
-Tốc độ di chuyển bàn máy
- Khoảng cách mỗi đường hàn
- Chiều cao đường hàn 2.5mm
Chiều cao lớp hàn so với bề mặt tấm khuôn 3mm
Sau khi hoàn tất quá trình bồi đắp để nguội và tiến hành tháo xuống
Một số lỗi trong quá trình hàn
Bảng 5.5: Một số lỗi trong quá trình hàn
Các lỗi xảy ra trong quá trình hàn
Tấm chắn nước bị cong lên, dùng cảo chữ C để ép lại và hàn đính lại
Tốc độ bàn máy quá nhanh
Bị lệch, tốc độ ra dây chậm
GIA CÔNG HOÀN THIỆN TẤM KHUÔN ÂM CAX5 VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢI NHIỆT BẰNG KÊNH DẪN LAYER
Quá trình gia công tấm khuôn âm
Quá trình gia công tấm khuôn âm sau khi dược in 3D kim loại bằng công nghệ bồi đắp được thực hiện trên máy phay CNC Matsuura MC-760VX
Bảng 6.1: Quá trình gia công
Phay 4 lỗ ỉ25 với end mill ỉ16
Khoan 4 lỗ ỉ13 và 4 lỗ M12 với drill ỉ10.5
Phay 4 lỗ ỉ13 với end mill ỉ10
Phay biên dạng với end mill ỉ6
Phay lỗ bậc ỉ31 với end mill ỉ16
Hình 6.1: Tấm khuôn âm hoàn thiện Nhận xét:
Bề mặt sau gia công thường xuất hiện hiện tượng rỗ khí do trong quá trình hàn, khí không thể thoát ra, dẫn đến sự hình thành rỗ khí bên trong mối hàn.
- Bề mặt lòng khuôn xuất hiện vết chạy dao, do tốc độ chạy dao, quay trục chính chưa hợp lý
- Các bề mặt bị rỗ dùng hàn TIG để đắp lại, sau đó đem đi đánh bóng
- Bề mặt lòng khuôn sẽ đánh bóng.
Đánh giá hiệu quả giải nhiệt bằng kênh dẫn layer
Để đánh giá được hiệu quả giải nhiệt của kênh dẫn layer, ta tiến hành so sánh với hiệu quả giải nhiệt của kênh dẫn thông thường
Sử dụng phần mềm Moldex3D để phân tích 2 kênh giải nhiệt
Bảng 6.2: Hình dạng 2 hệ thống kênh giải nhiệt
Kênh giải nhiệt thông thường Kênh giải nhiệt dạng layer
Bảng 6.3: Bảng so sánh sự khác biệt quá trình giải nhiệt của 2 kênh giải nhiệt
Kênh giải nhiệt thông thường Kênh giải nhiệt dạng layer
Hình 6.2 và hình 6.3 thể hiện sự chênh lệch nhiệt độ cao nhất và thấp nhát của hai kênh giải nhiệt
Thời gian (s) Kênh dạng thông thường Kênh dạng 2.5D
Hình 6.2: Biểu đồ chênh lệch nhiệt độ cao nhất của 2 kênh giải nhiệt
Kênh dạng thông thường Kênh dạng 2.5D
Hình 6.3: Biểu đồ chênh lệch nhiệt độ thấp nhất của 2 kênh giải nhiệt Nhận xét:
- Khi nhựa điền đầy là thời điểm 0s dòng chảy có nhiệt độ là 265ºC
- Sau 0.25s kênh giải nhiệt dạng layer giảm nhanh hơn so với kênh thông thường chênh lệch nhiệt độ cao nhất là 28ºC và thấp nhất là 13ºC
Kênh giải nhiệt dạng layer vượt trội hơn kênh thông thường trong 3 giây đầu, với nhiệt độ cao nhất từ 11,5-13,9 ºC và nhiệt độ thấp nhất từ 11,3-12,9 ºC Đến giây thứ 5, kênh layer đạt ngưỡng đông cứng khoảng 80 ºC, trong khi kênh thông thường chỉ đạt ngưỡng đông cứng sau giây thứ 5.
Kênh giải nhiệt 3D mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các kênh giải nhiệt truyền thống Hệ thống làm mát hiệu quả giúp quá trình chuyển đổi nhựa từ thể lỏng sang thể rắn diễn ra nhanh chóng, rút ngắn thời gian ép sản phẩm và giảm thiểu tình trạng biến dạng hoặc phế phẩm Điều này không chỉ đảm bảo chất lượng sản phẩm mà còn tối ưu hóa thời gian sản xuất.