Hồ Chí Minh, tháng 7/2024 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ KHUÔN PHUN ÉP CHO BỘ MẪU ĐO CƠ TÍNH VÀ KHẢ NĂNG CHỐNG CHÁY CỦA VẬT LIỆU NHỰA THEO TIÊU CHUẨN ASTM... HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ
GIỚI THIỆU
Lý do chọn đề tài
Sản phẩm từ vật liệu nhựa đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày, với sự đa dạng từ sản phẩm đơn giản đến tinh xảo Nhu cầu tiêu dùng về sản phẩm nhựa ngày càng phong phú, yêu cầu ngành công nghệ khuôn mẫu nhựa phải liên tục cải tiến Để đáp ứng hình dáng và mẫu mã, sản phẩm nhựa cần có tính chất cơ tính phù hợp, được đánh giá qua các chỉ số như tính bền kéo, khả năng bền uốn và độ bền va đập Công nghệ phun ép nhựa hiện nay được ứng dụng phổ biến để tạo mẫu nhựa phục vụ cho quá trình kiểm tra và đo lường.
Với sự phát triển công nghệ, nhu cầu kiểm tra chất lượng vật liệu nhựa ngày càng tăng Nghiên cứu và thiết kế bộ khuôn phun ép giúp đánh giá độ cơ tính và khả năng chống cháy của vật liệu nhựa, từ đó nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong quá trình kiểm tra.
Tiêu chuẩn ASTM có tính toàn cầu, được chấp nhận và sử dụng không chỉ ở Hoa Kỳ mà còn trên toàn thế giới Việc nghiên cứu và áp dụng tiêu chuẩn này sẽ thúc đẩy hợp tác và thương mại hóa sản phẩm vật liệu nhựa trên thị trường quốc tế.
Kiểm tra cơ tính và khả năng chống cháy của vật liệu nhựa là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng và bảo vệ môi trường khỏi rủi ro Nghiên cứu này không chỉ cải thiện quy trình kiểm tra mà còn nâng cao độ chính xác của kết quả, đồng thời đảm bảo tuân thủ các yêu cầu về an toàn và môi trường.
Phát triển công nghệ và đổi mới trong nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ khuôn ép phun yêu cầu sự kết hợp kiến thức về vật liệu, kỹ thuật cơ khí và quy trình kiểm tra Việc phát triển bộ khuôn phun ép mới, hiệu quả và tiên tiến không chỉ mang lại công nghệ và phương pháp mới mà còn nâng cao nghiên cứu và phát triển vật liệu nhựa Đặc biệt, khả năng kiểm tra độ cơ tính và tính chống cháy của vật liệu nhựa theo tiêu chuẩn ASTM là yêu cầu thiết yếu từ khách hàng và doanh nghiệp Nghiên cứu và phát triển bộ khuôn ép phun để phục vụ cho các kiểm tra này sẽ giúp doanh nghiệp và tổ chức đáp ứng hiệu quả các yêu cầu của thị trường.
Nhiều nghiên cứu cả trong và ngoài nước đã công bố về cơ tính của vật liệu nhựa, trong đó mẫu đo được tạo ra bằng một phương pháp cụ thể.
The article by Nga Thi-Hong Pham and Van-Thuc Nguyen, titled "Morphological and Mechanical Properties of Poly (Butylene Terephthalate)/High-Density Polyethylene Blends," was published in the journal Advances in Materials Science and Engineering in 2020 This research explores the blend of Poly (Butylene Terephthalate) and High-Density Polyethylene, focusing on their morphological and mechanical properties, contributing valuable insights to the field of material science.
Nhóm nghiên cứu đã phân tích ảnh hưởng của thành phần High-Density Polyethylene (HDPE) đến cơ tính của hỗn hợp PolyButylene Terephthalate/High-Density Polyethylene (PBT/HDPE) Các mẫu kiểm tra cơ tính được tạo ra bằng phương pháp phun ép theo tiêu chuẩn ASTM, bao gồm mẫu đo khả năng bền kéo theo tiêu chuẩn D638, mẫu đo độ bền uốn theo tiêu chuẩn D790 và mẫu đo độ bền va đập theo tiêu chuẩn D256.
Bài viết “Investigation of the Effect of Polycarbonate Rate on Mechanical Properties of Polybutylene Terephthalate/Polycarbonate Blends” được đăng trên tạp chí
Trong bài báo đăng trên Tạp chí Quốc tế về Khoa học Polymer năm 2021, tác giả Nga Thi-Hong Pham và Ngoc-Thien Tran đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhựa Polycarbonate (PC) đến tính cơ học của nhựa PBT (PolyButylene Terephthalate) Nghiên cứu thực hiện bằng cách pha trộn PC với PBT ở các tỷ lệ khác nhau và đánh giá thông qua thử nghiệm độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM D638.
3 bền uốn ASTM D790 và kiểm tra độ dai va đập ASTM D256 được tạo bằng phương pháp phun ép
Bài viết "Nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần đến tính chất của hạt nhựa compound chống cháy trên cơ sở polyetylen" của Trần Vũ Thắng và Hoàng Thị Phương, đăng trên tạp chí "Khoa học Kỹ Thuật và Công nghệ" vào ngày 22/10/2021, khảo sát tác động của các chất phụ gia chống cháy ATH/MPP và kẽm stearat (ZnSt) đối với tính chất cơ tính của hạt nhựa polyetylen (PE) compound chống cháy Tổng hàm lượng chất phụ gia là 35%, gồm ATH (nhôm hydroxit) và MPP (melamin polyphosphat), cùng ZnSt Kết quả cho thấy, việc sử dụng ATH/MPP cải thiện khả năng chống cháy và độ bền nhiệt của hợp chất PE, với mẫu CT7 (15% ATH/20% MPP/2% ZnSt) đạt hiệu quả chống cháy tốt nhất Các tính chất cơ học như khả năng bền kéo và giãn dài khi đứt tăng khi hàm lượng MPP tăng, đặc biệt với mẫu chỉ chứa MPP ZnSt cải thiện sự phân tán của ATH và MPP trong nền PE, được xác nhận qua phân tích SEM Nghiên cứu cũng chỉ ra ảnh hưởng của các chất phụ gia đến chỉ số nóng chảy của hợp chất PE, với kết quả thực nghiệm UL-94 cho thấy sự kết hợp ATH/MPP/ZnSt cải thiện đáng kể khả năng chống cháy của PE, nâng cao mức độ an toàn cháy trong ứng dụng thực tế.
Bài viết của nhóm tác giả Dong Seok Shin, Young Kim Shin, và Euy Sik Jeon:
Bài nghiên cứu "Approximation of Non-Linear Stress–Strain Curve for GFRP Tensile Specimens by Inverse Method" được đăng trên tạp chí quốc tế Applied Sciences vào năm 2019 Nhóm tác giả đã áp dụng phương pháp nghịch đảo để ước tính ứng suất và biến dạng cho các mẫu thử độ bền kéo của polyme gia cố bằng sợi thủy tinh Nghiên cứu cũng đã kiểm nghiệm độ bền kéo của các mẫu thử theo tiêu chuẩn ASTM D638, được sản xuất bằng phương pháp phun ép.
Bài viết của nhóm tác giả B V Lingesh và cộng sự, đăng trên tạp chí Advanced Composites and Hybrid Materials năm 2018, nghiên cứu ảnh hưởng của sợi lai ngắn như sợi thủy tinh, sợi carbon và sợi bazan trên hỗn hợp polyamide 66/polypropylene (PA66/PP) với tỷ lệ 80/20% Vật liệu tổng hợp được chế tạo bằng phương pháp phun ép nhựa, bao gồm hỗn hợp thủy tinh-carbon và vật liệu tổng hợp lai thủy tinh Nghiên cứu đánh giá các tính chất cơ học của hỗn hợp nhựa nhiệt dẻo PA66/PP thông qua các tiêu chuẩn thử nghiệm như khả năng bền kéo (ASTM D638), tính bền uốn (ASTM D790), khả năng bền va đập (ASTM D256) và khả năng chống cháy (ASTM UL94).
Khảo sát cho thấy tiêu chuẩn ASTM đang được áp dụng phổ biến để tạo mẫu kiểm tra cơ tính cho vật liệu nhựa, nhằm phục vụ nghiên cứu về cơ tính của vật liệu nhựa tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật.
Chúng em đã chọn đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ khuôn phun ép cho bộ mẫu kiểm tra cơ tính và khả năng chống cháy của vật liệu nhựa theo tiêu chuẩn ASTM" tại TP Hồ Chí Minh Qua việc thực hiện đề tài này, nhóm tác giả mong muốn mở rộng kiến thức và nâng cao kỹ năng về vật liệu nhựa, cũng như quy trình thiết kế và chế tạo khuôn phun ép nhựa Điều này không chỉ hỗ trợ cho sự nghiệp của nhóm sau khi ra trường mà còn cung cấp đầy đủ kiến thức và kỹ năng cần thiết để thực hiện các dự án trong lĩnh vực vật liệu nhựa.
Tính cấp thiết của đề tài
Vật liệu nhựa được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, vì vậy việc đảm bảo tính an toàn và tuân thủ quy định là rất quan trọng Nghiên cứu và kiểm tra cơ tính cũng như khả năng chống cháy của vật liệu nhựa theo tiêu chuẩn ASTM giúp xác nhận rằng các sản phẩm đáp ứng yêu cầu an toàn trong các ứng dụng thực tế Nghiên cứu này không chỉ đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng vật liệu nhựa.
Để đảm bảo tính chất cơ học và khả năng chống cháy của sản phẩm, việc áp dụng phương pháp chính xác và tin cậy là rất cần thiết Nghiên cứu này góp phần vào việc phát triển công nghệ kiểm tra vật liệu nhựa và thiết kế bộ khuôn phun ép Cải thiện phương pháp kiểm tra và thiết kế bộ khuôn không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn tiết kiệm thời gian và tăng độ chính xác trong quá trình kiểm tra Mục tiêu của đề tài là thiết kế, chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh bộ khuôn ép phun nhằm phục vụ việc tạo mẫu kiểm tra các cơ tính và khả năng chống cháy của vật liệu nhựa theo tiêu chuẩn ASTM.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Kết quả của dự án cung cấp thông tin quan trọng cho nghiên cứu về cơ tính của vật liệu nhựa, bao gồm kiểm tra khả năng bền kéo, độ bền uốn, độ chịu dai va đập và khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn ASTM Những kết quả này không chỉ nâng cao hiểu biết về cơ tính và khả năng chống cháy của vật liệu nhựa mà còn phát triển phương pháp kiểm tra và đánh giá, cải thiện an toàn và độ tin cậy của chúng Ngoài ra, dự án còn góp phần vào sự phát triển công nghệ và ứng dụng vật liệu nhựa trong ngành công nghiệp.
1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn Đề tài này có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng, an toàn và tuân thủ quy định của vật liệu nhựa trong các ứng dụng thực tế Nghiên cứu và thiết kế bộ khuôn ép phun cho mẫu đo đánh giá cơ học và khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn ASTM giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, tối ưu hóa quy trình sản xuất và đảm bảo tuân thủ các quy định và tiêu chuẩn an toàn Đồng thời, nghiên cứu này cũng đóng góp vào việc phát triển vật liệu nhựa chống cháy và có tính chất cơ tính tốt hơn, từ đó cải thiện an toàn và độ tin cậy của các ứng dụng sử dụng vật liệu nhựa Sản phẩm từ đề tài là bộ khuôn phun ép dùng để tạo mẫu thử độ bền kéo ASTM DT638, mẫu thử độ bền uốn ASTM D790, mẫu thử đo độ dai va đập theo tiêu chuẩn ASTM D256 và mẫu thử khả năng chống cháy ASTM UL94 Bộ khuôn này sẽ hỗ trợ
Nghiên cứu cơ tính của vật liệu nhựa là rất quan trọng để cải thiện chất lượng sản phẩm Việc này không chỉ giúp đáp ứng nhu cầu thị trường hiện tại mà còn tạo ra cơ sở vững chắc cho việc sản xuất các sản phẩm tốt hơn trong tương lai.
Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài
1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu đề tài
- Nghiên cứu công nghệ ép phun, và vật liệu nhựa
- Nghiên cứu về bộ mẫu kiểm tra cơ tính theo tiêu chuẩn ASTM
Thiết kế sản phẩm cho bộ mẫu kiểm tra cơ tính và khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn ASTM bao gồm các thử nghiệm quan trọng như kiểm tra độ bền kéo theo D638, kiểm tra độ bền uốn theo D790, kiểm tra độ dai va đập theo D256 và kiểm tra độ chống cháy theo UL94.
- Thiết kế và chế tạo bộ khuôn ép nhựa có các phần mềm hỗ trợ
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài
- Các loại nhựa thông dụng
- Bộ mẫu đo được thực hiện để đánh giá tính cơ học và khả năng chống cháy theo các tiêu chuẩn ASTM
- Thiết kế và chế tạo bộ khuôn ép phun có kích thước tối đa là chiều dài 300mm, chiều rộng 300 mm, chiều cao 215mm.
Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện đề tài nhóm đã tiến hành bằng các phương pháp:
Thu thập và xử lý dữ liệu tương quan:
Tìm kiếm tài liệu mẫu và áp dụng kiến thức đã tích lũy là rất quan trọng Bạn nên thu thập tài liệu tham khảo từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm sách chuyên ngành, giáo trình và Internet để nâng cao chất lượng nghiên cứu.
Phương pháp thiết kế và mô phỏng:
- Dùng phần mềm Creo 8.0 cho thiết kế sản phẩm, sau đó thực hiện các bước tiếp theo như tách khuôn, phân tích và thiết kế áo khuôn.…
- Dùng phần mềm Moldex 3D phân tích và mô phỏng dòng chảy trong quá trình ép phun
TỔNG QUAN
Tổng quan về vật liệu nhựa
Nhựa, hay còn gọi là chất dẻo hoặc polymer, là hợp chất có khối lượng phân tử lớn, hình thành từ sự lặp lại của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử (monome) Các monome này liên kết với nhau để tạo thành chuỗi, với các tính chất không thay đổi đáng kể khi có sự thêm hoặc bớt đơn vị cấu tạo.
Có nhiều cách để phân loại nhựa dựa trên các cách sau đây: a Theo cấu trúc mạch polyme
Polyme mạch thẳng là loại polyme mà các monome liên kết thành một mạch duy nhất, tạo nên những sợi dài mềm dẻo nằm sát nhau Các polyme này thường có điểm nóng chảy cao và mật độ lớn hơn, mang lại nhiều ứng dụng trong công nghiệp và đời sống.
Polyme mạch nhánh là loại polymer có cấu trúc với các chuỗi thẳng được kết nối bằng các mạch nhánh ngắn, dẫn đến mật độ thấp và điểm nóng chảy thấp Có hai loại polymer mạch nhánh: loại có dạng lưới và loại có dạng không gian.
(a) mạch thẳng (b) mạch nhánh (c) mạch lưới
Hình 2.1: Cấu trúc mạch Polyme
8 b Theo lực liên kết phân tử
Nhựa nhiệt dẻo là loại nhựa có cấu trúc polyme mạch thẳng hoặc mạch nhánh, có khả năng trở nên dẻo khi được nung nóng và đông cứng khi làm nguội Quá trình này có thể lặp lại nhiều lần, cho phép nhựa nhiệt dẻo được tái sử dụng hiệu quả.
Nhựa nhiệt rắn, hay còn gọi là polymer đặc nhiệt, có cấu trúc dạng mạch lưới và không thể tái chế sau khi đã sử dụng Khi chịu tác động của nhiệt độ, nhựa này sẽ đông rắn và mất khả năng chảy dẻo Với cơ tính tốt, nhựa nhiệt rắn thường được ưu tiên trong các ứng dụng kỹ thuật.
Phản ứng trùng hợp, còn được gọi là "phản ứng trùng hợp chuỗi", là quá trình tạo ra polymer từ các monome có cấu trúc tương tự nhau Một ví dụ điển hình là sự hình thành polyethylen từ các monome etylen.
Phản ứng trùng ngưng là quá trình tổng hợp polymer thông qua phản ứng giữa các monome có nhóm chức, tạo ra nhiều liên kết mới trong mạch polymer Quá trình này cũng sinh ra các hợp chất phụ như nước và HCl.
Ví dụ: tơ capron (nilon-6) được điều chế bằng cách trùng ngưng aminoaxit
2 2 5 COOH (-NH 2 5 ) n 2 nH N CH → CH CO − + nH O
2.1.3 Tính chất cơ bản của nhựa
Các đặc tính cơ học của nhựa có tác động tới tuổi thọ của sản phẩm
Độ dãn dài, được biểu thị bằng ký hiệu %, là tỷ lệ giữa độ dài của mẫu vật khi bị kéo đến khi gãy so với độ dài ban đầu Vật liệu có độ bền kéo cao thường có độ dãn dài thấp hơn, trong khi vật liệu có độ bền kéo thấp lại có độ dãn dài lớn hơn.
Độ cứng là tính chất quan trọng của vật liệu, giúp ngăn ngừa nứt, vỡ hoặc hư hỏng bề mặt khi chịu tác động Để đo độ cứng của vật liệu kim loại, thường sử dụng các phương pháp như Rockwell và Brinell (HB) với các thiết bị đo chuyên dụng.
Độ dai và đập của vật liệu là khả năng chống lại tải trọng động, được phân tích thông qua kết quả từ các thử nghiệm Đối với vật liệu dẻo, việc đánh giá này thường sử dụng thiết bị Charpy, trong đó một búa dao động được sử dụng để phá vỡ mẫu vật được kẹp chặt ở hai đầu.
Độ chịu mài mòn là khả năng của vật liệu nhựa trong việc chống lại sự hao mòn do lực tác động, thường được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm (%) Đây là chỉ số quan trọng để đánh giá khả năng chống xước mòn của vật liệu.
Tỷ trọng nhựa là một đặc tính quan trọng, với giá trị dao động từ 0.9 đến 2 g Tỷ trọng này phụ thuộc vào mức độ kết tinh của vật liệu: độ kết tinh càng cao thì tỷ trọng càng lớn và ngược lại.
Chỉ số nóng chảy là giá trị quan trọng thể hiện khả năng chảy của vật liệu nhựa, ảnh hưởng đến việc lựa chọn nguyên liệu và quy trình gia công Chỉ số này càng cao, tính lưu động của nhựa càng tốt, giúp quá trình gia công trở nên dễ dàng hơn.
Độ hút ẩm của vật liệu nhựa là khả năng hấp thụ nước, với nhựa có nhóm phân cực thường có khả năng hút nước cao hơn so với nhựa không có nhóm phân.
Độ hút ẩm thấp là yếu tố quan trọng, vì nó giúp duy trì các tính chất cơ học của sản phẩm và ổn định kích thước, tránh ảnh hưởng tiêu cực do sự hấp thụ nước.
Tổng quan về công nghệ ép phun nhựa
Công nghệ ép phun nhựa là quy trình sản xuất, trong đó vật liệu nhựa được nung nóng và định lượng trước khi phun vào khuôn Sau khi vật liệu được ép vào khuôn dưới áp suất và nhiệt độ nhất định, sản phẩm cuối cùng được hình thành Điểm khác biệt của công nghệ này so với các phương pháp khác là vật liệu không được đổ trực tiếp vào khuôn mà phải qua khoang nung để đạt nhiệt độ thích hợp trước khi ép.
• Cấu tạo: máy ép phun gồm có các hệ thống cơ bản như hình 2.8
Hình 2.8: Máy phun ép nhựa
Hệ thống hỗ trợ ép phun
Hệ thống điều khiển Khuôn Hệ thống phun
Hệ thống kẹp đóng vai trò quan trọng trong việc mở và đóng khuôn, tạo ra lực kẹp mạnh mẽ để giữ khuôn trong quá trình làm nguội Nó cũng giúp đẩy sản phẩm ra khỏi lòng khuôn và khởi động chu kỳ ép phun mới.
Hệ thống kẹp gồm có các bộ phận sau:
Cụm đẩy bao gồm xylanh hệ thống thủy lực, tấm đẩy và cần đẩy, với chức năng chính là tạo ra lực đẩy để tác động lên tấm đẩy trên khuôn, giúp sản phẩm rời khỏi khuôn một cách hiệu quả.
Cụm kìm bao gồm hai loại cơ cấu chính: cơ cấu khuỷu và cơ cấu xy lanh thủy lực Hệ thống xy lanh thủy lực có vai trò quan trọng trong việc cung cấp lực để đóng mở khuôn và duy trì lực kẹp khuôn trong suốt quá trình ép phun nhựa.
Hình 2.10: a Cơ cấu xylanh b Cơ cấu khuỷu a
Tấm cố định Tấm di động
Chốt nối Tấm di động
Tấm di động là một tấm thép có bề mặt thiết kế với nhiều lỗ thông, cho phép lực truyền qua tấm đẩy của khuôn Các lỗ ren trên bề mặt tấm di động được sử dụng để kẹp chặt tấm này vào khuôn Trong suốt quá trình ép phun, tấm di động di chuyển tịnh tiến dọc theo bốn thanh nối.
Tấm cố định: là một tấm thép với nhiều lỗ thông qua tấm cố định của khuôn
Ngoài bốn lỗ dẫn hướng, các lỗ ren trên tấm cố định của khuôn có chức năng kẹp chặt như tấm di động Tấm cố định còn được trang bị lỗ vòng định vị, giúp định vị chính xác và đảm bảo sự thẳng hàng giữa cần đẩy và cụm phun, bao gồm vòi phun và bạc cuống phun.
Hệ thống khuôn là thiết bị quan trọng trong quá trình sản xuất sản phẩm nhựa, bao gồm các thành phần chính như hệ thống đẩy sản phẩm, hệ thống làm mát và hệ thống thoát khí Những thành phần này phối hợp chặt chẽ để đảm bảo chất lượng và hiệu suất của sản phẩm nhựa.
Hệ thống điều khiển cho phép người điều khiển theo dõi và điều chỉnh các thông số quan trọng như nhiệt độ, áp suất, tốc độ phun, và vị trí các bộ phận trong hệ thống thủy lực Quá trình điều khiển không chỉ đảm bảo chất lượng sản phẩm nhựa cuối cùng mà còn nâng cao hiệu quả kinh tế trong sản xuất Người điều khiển có thể linh hoạt điều chỉnh hệ thống thông qua bảng điều khiển và các nút bấm.
Hệ thống phun nhựa hoạt động bằng cách đưa vật liệu nhựa vào khuôn thông qua các bước cấp nhựa, nén và khử khí Quá trình này làm cho nhựa trở nên dẻo và chảy, sau đó được phun ép và định hình để tạo ra sản phẩm cuối cùng.
Phiễu cấp liệu Trục vít
Bộ hồi tự hở Khoang chứa liệu Vòi phun
Hệ thống phun gồm các bộ phận sau:
Phiễu cấp nhựa là một phần quan trọng trong quy trình phun ép nhựa, có chức năng chứa vật liệu nhựa viên để cung cấp cho hệ thống trộn Thiết bị này đảm bảo việc cấp liệu nhựa diễn ra đồng đều và liên tục, góp phần nâng cao hiệu quả của quá trình trộn.
Khoang chứa liệu là nơi lưu trữ vật liệu và cho phép trục vít-me di chuyển bên trong Khu vực này thường được gia nhiệt bằng băng cấp nhiệt để duy trì nhiệt độ cần thiết cho quá trình làm chảy nhựa Nhiệt độ trong khoang chứa liệu thường được duy trì trong khoảng 20% đến 30% so với nhiệt độ cần thiết để làm nhựa trở nên lỏng.
Băng gia nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nhiệt độ ổn định trong khu vực lưu trữ nhựa, giúp nhựa luôn ở trạng thái chảy dẻo Trên máy ép nhựa, nhiều băng gia nhiệt có thể được cài đặt với các mức nhiệt độ khác nhau, tạo ra các vùng nhiệt độ lý tưởng cho quá trình ép nhựa hiệu quả.
Trục vít trong quá trình ép phun nhựa có vai trò quan trọng trong việc nén, nung nóng chảy dẻo và tạo áp lực để đẩy nhựa vào khuôn Cấu tạo của trục vít bao gồm ba vùng khác nhau, mỗi vùng đảm nhận một chức năng cụ thể, góp phần vào hiệu quả của quá trình sản xuất.
L – Chiều dài hoạt động của trục vít
Bộ hồi tự hở là thành phần quan trọng của trục vít, bao gồm vòng chắn hình nêm, đầu trục vít và seat Chức năng chính của bộ hồi tự hở là kiểm soát dòng nhựa đưa vào khuôn Khi trục vít lùi lại, vòng chắn hình nêm di chuyển về phía vòi phun, cho phép nhựa chảy vào trục vít Ngược lại, khi trục vít tiến lên, vòng chắn hình nêm di chuyển về phía phễu và khóa với seat, ngăn chặn nhựa chảy ngược.
Hình 2.15: Bộ hồi tự hở
Vòi phun chức năng kết nối khoang trộn với cuống phun, có thiết kế đảm bảo kín khít giữa khoang trộn và khuôn Nhiệt độ tại vòi phun thường được điều chỉnh cao hơn hoặc bằng nhiệt độ chảy của vật liệu nhựa Trong quá trình hoạt động, vòi phun cần phải được lắp đặt đồng tâm với bạc cuống phun và đầu vòi phun phải được lắp kín.
Tấm gia nhiệt Đường dẫn Xy-lanh Tấm di động
THIẾT KẾ SẢN PHẨM VÀ BỘ KHUÔN HAI TẤM
Tính toán và thiết kế khuôn hai tấm cho mẫu thử
3.2.1 Tính toán góc thoát khuôn của mẫu thử
Để thuận tiện cho việc tháo mẫu thử ra khỏi khuôn, cả mặt trong và mặt ngoài của mẫu cần có độ nghiêng nhất định theo hướng mở khuôn Yêu cầu này cũng áp dụng cho các chi tiết như gân gia cường, vấu lồi và rãnh Đối với khuôn có lõi ngắn hoặc lòng khuôn hẹp (nhỏ hơn 5mm), góc nghiêng tối thiểu 0.25° mỗi bên là cần thiết Đối với các vật liệu cứng như Polystyrene và Acrylic, khi làm việc với mẫu thử nhỏ, góc nghiêng tối thiểu phải đạt ít nhất 1.5°.
• Kiểm tra góc thoát khuôn sau khi thiết kế
Vào phần mềm Creo Parametric 8.0 mở chi tiết lên => chọn Analysis => Chọn Draft => ở mục Surface chọn mẫu thử cần kiểm tra
Hình 3.17: Kiểm tra góc thoát khuôn trên phần mềm Creo
Bộ mẫu thử có ba kích thước bề dày là 3.2mm, 4mm và 6mm, tương ứng với độ sâu của lòng khuôn Với thiết kế góc thoát khuôn nhỏ, việc loại bỏ góc thoát khuôn (góc thoát khuôn = 0 độ) có thể được xem xét để thuận tiện cho quá trình gia công.
3.2.2 Hệ số co rút của mẫu thử
• Độ co rút của nhựa
Trong quá trình ép nhựa, độ co rút của vật liệu là sự thay đổi thể tích của mẫu thử từ lúc ép cho đến khi làm nguội Thông số này rất quan trọng và thường do nhà sản xuất nhựa cung cấp Thiết kế lòng khuôn cần được điều chỉnh để đảm bảo rằng sau khi làm nguội, vật liệu co rút đúng mức đã được thiết kế, nhằm đảm bảo kích thước sản phẩm cuối cùng chính xác.
- Độ co rút của nhựa PP: 1 – 3%
- Độ co rút của nhựa PE: 1.5 – 2.5%
- Độ co rút của nhựa PA: 0.5 – 2.2%
- Độ co rút của nhựa PBT: 0.5 – 2.2%
- Độ co rút của nhựa TPU: >=0.5%
Bộ khuôn phun ép được thiết kế cho nhiều loại nhựa, với hệ số co rút sản phẩm được chọn là 1.5%.
• Áp dụng hệ số co rút vào sản phẩm
Để thiết lập môi trường Manufacturing, đầu tiên bạn cần chọn Mold Cavity Sau đó, đưa chi tiết cần thiết vào và sử dụng lệnh Shrinkage trên thanh công cụ Tiếp theo, trong mục Coordinate System, hãy chọn chi tiết mà bạn muốn ghi hệ số co rút Cuối cùng, nhập hệ số co rút của vật liệu vào ô Shrink Ratio với giá trị là 0.015 như hình minh họa.
Hình 3.18: Đặt hệ số co rút cho mẫu thử
3.2.3 Tính toán số lòng khuôn và cách bố trí lòng khuôn
Bộ khuôn được chế tạo với mục đích tạo ra một bộ mẫu thử kiểm tra cơ tính đầy đủ trong một lần ép phun Bộ khuôn này bao gồm một lòng khuôn với 5 loại mẫu thử khác nhau: mẫu thử đo độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM D638, mẫu thử đo độ bền uốn theo ASTM D790, mẫu thử đo khả năng chống cháy theo tiêu chuẩn ASTM UL94, và mẫu thử đo độ bền dai va đập có rãnh V và không có rãnh V theo ASTM D256.
• Tính số lòng khuôn theo năng suất phun của máy [6]
S: năng xuất phun của máy (g/1lần phun)
W: trọng lượng của sản phẩm (g)
• Tính số lòng khuôn theo năng suất làm dẻo của máy [6]
P: năng xuất làm dẻo của máy (g/phút)
X: tần số phun (ước lượng) trong mỗi phút (1/phút)
W: trọng lượng của sản phẩm (g)
• Tính số lòng khuôn theo lực kẹp khuôn của máy [6]
- Trong đó: n: số lòng khuôn tối đa trên khuôn
𝐹𝑝: lực kẹp khuôn tối đa của máy (N)
S: diện tích bề mặt trung bình của sản phẩm theo hướng đóng khuôn (𝑚𝑚 2 ) P: áp xuất trong khuôn (MPa)
Số lòng khuôn lớn nhất máy có thể ép phun được là:
Ta có n cần thỏa mãn những điều kiện sau:
Để đảm bảo kích thước khuôn phù hợp với máy ép và khả năng công nghệ tại xưởng ép, nhóm đã quyết định chọn 𝑛 = 1.
• Cách bố trí lòng khuôn
Thời gian điền đầy ngắn
• Nhược điểm: Điền đầy không đồng đều
Vị trí cổng vào nhựa không hợp lý vì nằm ở giữa các mẫu đo
• Ưu điểm: Đảm bảo đáp ứng các yêu cầu thiết kế
Thời gian điền nhựa ngắn
Mẫu thử không có khuyết tật
Diện tích thiết kế lớn(450x400)
• Ưu điểm: Điền đầy nhựa đồng đều
Vị trí cổng vào nhựa hợp lý vào đầu mẫu thử
Diện tích thiết kế nhỏ(300x250)
Sau khi đánh giá các ưu điểm và nhược điểm của các phương án đã đề xuất, nhóm đã quyết định chọn phương án 3 vì đây là lựa chọn tối ưu nhất.
• Bước 1: Khởi động phần mềm Creo 8.0, tạo môi trường tách khuôn
Chọn File → Chọn New → Chọn Manufacturing → Chọn Mold Cavity → Nhấn OK → Chuyển đợn vị sang mms_mfg_mold_abs
Hình 3.19: Tạo file tách khuôn
• Bước 2: Đưa lần lượt chi tiết vào môi trường tách khuôn
Chọn Reference Model → Chọn Locate Reference Model
Hình 3.20: Sản phẩm trong môi trường tách khuôn
• Bước 3: Tạo phôi (250mm x 250mm)
Chọn Workpiece → Chọn Create workpiece
Hình 3.21: Các bước tạo phôi
Hình 3.22: Hoàn thành bước tạo phôi
• Bước 4: Tạo mặt phân khuôn
Chọn Parting Surface → Chọn Fill
Hình 3.23: Tạo mặt phân khuôn
• Tạo kênh dẫn nhựa trên lệnh Runner
To create a runner in your design, select the Runner icon from the toolbar, then choose the Round Trapezoid shape Enter the runner diameter as 7mm and the runner angle as 10 degrees Next, define the flow path by creating a sketch of the runner's centerline, and finally, click OK to finalize your design.
• Tạo cổng vào nhựa trên lệnh Runner
Chọn biểu tượng Mold Volume → Vào môi trường Extrude → tạo Sketch như hình
Hình 3.25: Tạo cổng vào nhựa
Chọn biểu tượng Mold Volume → Vào môi trường Revolve → tạo Sketch như hình → Chọn variable 360°
• Tạo lòng khuôn trên lệnh Refpart cutout
• Bước 5: Tách hai nửa khuôn
Chọn Mold Volume → Chọn Volume split
Hình 3.28: Các bước tách hai nửa khuôn
• Bước 6: Tách 2 tấm khuôn vào môi trường
Vào Mold Component → Chọn Cavity insert (khuôn âm khuôn dương)
Hình 3.29: Tách 2 tấm khuôn vào môi trường
Chọn create Molding → đặt tên cho sản phẩm → nhấn enter
Vào Mold opening → Chọn Define step → Chọn Define move → Chọn tấm khuôn →Ok → Chọn hướng mở khuôn → Nhập khoảng cách → Ok
Hình 3.31: Mở các tấm khuôn
Hình 3.32: Cấu tạo hệ thống kênh dẫn nhựa
Cuống phun là bộ phận kết nối giữa vòi phun và kênh dẫn, có chức năng chuyển dòng nhựa từ vòi phun vào kênh dẫn hoặc trực tiếp vào khuôn Trong số các loại cuống phun, bạc cuống phun được ưa chuộng nhất nhờ vào tính dễ dàng trong việc thay thế và lắp đặt.
Một số yếu tố làm ảnh hưởng đến kích thước cuống phun:
- Đảm bảo khả năng thoát khuôn
- Độ dài cuống phun phải phù hợp với bề dày tấm khuôn
- Độ dài cuống phun được thiết kế phù hợp để đảm bảo dòng nhựa không bị mất áp lực quá nhiều trên đường di chuyển
- Khối lượng, độ dày của thành mẫu thử và loại vật liệu nhựa
Hình 3.33: Kích thước cuống phun cho thiết kế
: là đường kính lớn của cuống phun d S : là đường kính nhỏ của cuống phun d N
: là đường kính miệng phun máy ép
𝑆 𝑚𝑎𝑥 : Bề dày của sản phẩm hoặc bề dày kênh dẫn
Ta có: 𝑑 𝑠 ≥ 𝑑 𝑁 + 1.5𝑚𝑚 ≥ 2 + 1.5𝑚𝑚 = 3.5𝑚𝑚, để dễ dàng gá đặt lên máy và giảm khả năng bị xì nhựa ở đầu miệng phun máy ép nên nhóm chọn 𝑑 𝑠 = 3𝑚𝑚, 𝛼 ≥ 1 − 4° Chọn 𝛼 = 1.5°
Hình 3.34: Kích thước tiêu chuẩn của bạc cuống phun Misumi
• Thiết kế kênh dẫn nhựa
Kênh dẫn nhựa là phần nối giữa cuống phun và miệng phun, có chức năng chuyển đưa nhựa vào lòng khuôn
Có một số yếu tố ảnh hưởng đến kích thước của kênh dẫn như sau:
- Kênh dẫn nên thiết kế càng ngắn càng tốt nhưng không gây mất áp lực, nhiệt độ và đảm bảo nhựa được điền đầy nhanh chóng
Kênh dẫn cần được thiết kế hợp lý để giảm thiểu phế liệu, rút ngắn thời gian làm nguội và giảm lực kẹp Đồng thời, kích thước của kênh dẫn phải đủ lớn để đảm bảo việc điền đầy lòng khuôn nhanh chóng mà không gây áp lực quá mức.
- Kênh dẫn nhựa có tiết diện tròn
- Kênh dẫn nhựa có tiết diện hình thang hiệu chỉnh
- Kênh dẫn nhựa có tiết diện hình thang
- Kênh dẫn nhựa có tiết diện hình chữ nhật và nửa hình tròn
Nhóm đã lựa chọn kênh dẫn có tiết diện hình thanh hiệu chỉnh do dễ gia công, khả năng giữ áp suất tốt và đảm bảo điền đầy vào lòng khuôn một cách nhanh chóng.
Hình 3.35: Kích thước kênh dẫn có tiết diện là hình thang hiệu chỉnh
- Tính toán kính kênh dẫn chính:
D = Tmax + 1.5 mm, trong đó T là bề dày thành lớn nhất của chi tiết Đối với chi tiết mẫu thử, bề dày lớn nhất được chọn là 6 mm, do đó D = 6 + 1.5 = 7.5 mm.
Ta cũng có thể tính toán kích thước kênh dẫn theo công thức sau:
D: đường kính kênh dẫn (mm)
L: chiều dài kênh dẫn (mm)
Ta có:5.4 ≤ 𝐷 ≥ 7.5 Chọn D = 7 (mm) (Kênh dẫn chính) Để kiểm tra lại khả năng điền đầy của mẫu thử dùng phần mềm CAE
Dc: đường kính của kênh dẫn chính (mm)
Dn: đường kính của kênh dẫn nhánh (mm)
Bảng 3.2 Đường kính kênh dẫn theo độ dài kênh dẫn và bề dày sản phẩm Đường kính rãnh dẫn
Chiều dài tối đa (mm) Độ dày tối đa (mm)
Dựa vào bảng 3.2 và việc tính toán thời gian điền đầy các chi tiết trong bộ mẫu thử, nhóm đã quyết định thiết kế hệ thống chặn dòng chảy để đảm bảo hiệu quả tối ưu.
- Kênh dẫn chính có tiết diện là hình thang hiệu chỉnh và kích thước là 8mm
- Kênh dẫn nhánh có tiết diện là hình thang hiệu chỉnh và kích thước là 7mm
• Xác định vị trí miệng phun
Miệng phun là phần nằm giữa kênh dẫn nhựa và lòng khuôn Khi thiết kế miệng phun, cần lưu ý các điểm sau:
Vị trí đặt miệng phun rất quan trọng, cần sắp xếp sao cho dòng nhựa chảy từ khu vực có bề dày lớn nhất đến khu vực có bề dày nhỏ nhất trong lòng khuôn Điều này giúp đảm bảo vật liệu được điền đầy đủ và đồng đều vào khuôn, tối ưu hóa quy trình sản xuất.
- Vị trí tối ưu của miệng phun giúp điền đầy nhựa mượt mà
- Đặt miệng phun sao cho mẫu thử không bị ảnh hưởng nhằm tránh tác động thừa về ứng suất trong lúc thực hiện
- Miệng phun nên đặt ở vị trí thể loại bỏ khí từ lỗ thoát mà không tạo ra bọt khí trong sản phẩm
- Tránh đặt miệng phun ở vị trí có thể gây ra đường hàn, đặc biệt khi sử dụng nhiều miệng phun
PHÂN TÍCH MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY NHỰA
Phân tích dòng chảy dựa trên phần mềm Moldex3D
CAE, viết tắt của "Computer Aided Engineering", là việc áp dụng công nghệ máy tính để mô phỏng thiết kế sản phẩm và hỗ trợ giải quyết các vấn đề kỹ thuật trong nhiều ngành công nghiệp Công nghệ này giúp tối ưu hóa sản phẩm, quy trình và công cụ sản xuất, nâng cao hiệu quả và chất lượng trong quá trình phát triển sản phẩm.
• Ứng dụng công cụ Moldex3D Studio 2023
Các bước thực hiện quá trình thiết kế, mô phỏng dựa trên công cụ Moldex3D Studio 2023
• Bước 1: Khởi động phần mềm Moldex3D
Hình 4.1: Biểu tượng của Moldex3D studio 2023
• Bước 2: Đưa chi tiết dưới dạng file *step vào môi trường làm việc của
Moldex3D Import → Chọn chi tiết
Hình 4.2: Hình sau khi inport
• Bước 3: Khai báo mẫu đo và kênh dẫn bằng lệnh Attribute, khai báo phù hợp cho từng loại (Part, Cooling Channel, Cold Runner)
Hình 4.3: Hoàn thành quá trình khai báo Attribute
• Bước 4: Tạo Moldbase cho chi tiết và đường làm mát
Chọn biểu tượng Moldbase → Nhập thông số 200x200x200mm
Bố trí kênh làm mát như hình 4.4 và hình 4.5
→ Chọn biểu tượng inlet/outlet kiểm tra đầu vào đầu ra của nước làm mát
→ Chọn biểu tượng Check Cooling System để kiểm tra lại kết cấu khuôn
Hình 4.4: Bố tri đường làm mát phía trên
Hình 4.5: Bố tri đường làm mát phía dưới
Hình 4.6: Hoàn thành quá trình tạo Molbase cho mẫu thử
• Bước 5: Tiến hành chia lưới
Vào Generate Mesh Solid → Chọn Modify Node Seeding → Mesh size chọn 1mm → Apply → chọn paramter → Mesh Type chọn 3 Layers BLM → Generate BLM → Generate
Hình 4.7: Chọn kết cấu lưới
Hình 4.8: Hoàn thành quá trình chia lưới
• Bước 6: Chọn vật liệu nhựa cần mô phỏng
Vào Mục Material → Chọn New → Chọn Moldex3D Bank → Chọn loại nhựa phù hợp với thực tế và thông dụng trong sản xuất để thực hiện quá trình mô phỏng
• Bước 7: Cài đặt thông số ép
Hình 4.10: Bảng thông số ép
• Bước 8: Hoàn thành quá trình mô phỏng cho mẫu thử
Chọn biểu tượng Analysis → Chọn các mục cần mô phỏng gồm 4 mục (Filling, Packing, Cooling, Warpage) → Run now
Hình 4.11: Cài đặt các mục mô phỏng
Phân tích kết quả mô phỏng CAE dựa trên phần mềm Moldex3D
Kết quả mô phỏng quá trình phun ép nhựa dựa trên thông số của vật liệu nhựa ABS (Acrylonitrin Butadien Styren)
Filling và Packing là hai bước thiết yếu trong quy trình phun ép nhựa, giúp định hình vật liệu nhựa trong khuôn và bù đắp lượng co ngót khi nhựa đông đặc.
Trong quá trình điền đầy vật liệu, thời gian điền cần được tính toán cẩn thận, vì điền quá nhanh có thể gây ra ứng suất trượt lớn, dẫn đến cong vênh Để đảm bảo chất lượng, nhiệt độ gia công không nên giảm xuống dưới 200°C và áp suất điền đầy cần duy trì ở mức dưới 100 MPa.
Hình 4.12: Thời gian điền đầy nhựa
Để đạt yêu cầu điền đầy, cần điều chỉnh tốc độ phun ép và áp suất điền đầy tương ứng Đối với lòng khuôn lớn, cần giảm tốc độ phun ép để không khí có thời gian thoát ra, tránh lỗi phun thiếu hoặc vết cháy đen Tốc độ phun chậm sẽ dẫn đến thời gian điền đầy cao hơn và giảm áp suất phun ép.
Quá trình điền đầy trong ép phun được thể hiện qua sự chuyển đổi màu sắc từ đỏ sang xanh, cho thấy thời gian điền đầy tăng lên Khi bắt đầu, nhựa được làm nóng chảy và điền vào cuống phun trước, sau đó lan tỏa vào khu vực xung quanh miệng phun của mẫu thử, từ đó điền đầy các chi tiết bên trong Nhựa ưu tiên điền vào các vùng gần miệng cuống phun trước, và khi các vùng này đã đầy, nhựa sẽ tiếp tục điền vào phần còn lại, với các vùng màu xanh là những khu vực được điền đầy sau cùng.
Quá trình điền đầy biểu diễn như hình 4.12 như đã đề cập trước đó Kết quả cho ta thấy thời gian điền đầy ở vị trí xa nhất là 1.2 giây
Quá trình điền đầy lòng khuôn diễn ra đồng nhất từ ngoài vào trong và hoàn toàn, với sự chênh lệch thời gian giữa các mẫu thử có thể tích lớn và nhỏ không đáng kể (