Khi yêu cầu số lượng sản phẩm lớn thì dùng khn nhiều tầng. Hệ thống khn này có một hệ thống đẩy ở mỗi mặt của khuôn.
Khuôn 2 tầng này sử dụng hệ thống Hot runner để dẫn nhựa, nhựa được bơm vào tấm khn trung tâm, rồi từ đó, nhựa chảy theo các đường dẫn đi đến các lịng khn.
Trong khn nhiều tầng, vấn đề cách nhiệt giữa các tấm khuôn rất quan trọng. Tấm dẫn nhựa nóng và tấm khn âm (hoặc dương) khơng được tiếp xúc trực tiếp với nhau để đảm bảo là tấm dẫn keo nóng khơng bị nguội nhựa và tấm sản phẩm thì khơng nóng lên, vì trong khn nhiều tầng sử dụng hệ thống Hot Runner nên các tấm sản phẩm phải có nhiệt độ thấp để cho q trình làm nguội nhựa khi vào lịng khn được nhanh, từ đó tăng chu kỳ sản xuất và tăng năng suất [3].
2.5. Kết cấu chung của một bộ khn ép nhựa.
Hình 2.17: Kết cấu chung của một bộ khuôn ép nhựa
- Tấm kẹp trên: tấm này có tác dụng kẹp chặt tấm khn trên và tấm kẹp trên thành một khối và kẹp chặt cả khối này bàn tĩnh của máy ép nhựa.
- Tấm khuôn trên (Khuôn âm): là bộ phận quan trọng nhất vì nó là hình bao ngồi của sản phẩm. Nó quyết định đến độ chính xác của khn cũng như độ chính xác của sản phẩm. Bề mặt ngồi của sản phẩm đẹp hay xấu, chính xác hay khơng là phụ thuộc hồn tồn vào khi ta gia công tấm khuôn này.
- Bạc định vị: đảm bảo vị trí thích hợp của khn với vịi phun.
- Bộ định vị: đảm bảo sự phù hợp giữu phần cố định và phần chuyển động của khn. Nó bao gồm chốt định vị và bạc định vị.
- Tấm đỡ: giữ cho mảnh ghép của khuôn khơng bị rơi ra ngồi.
- Thanh kê (Gối đỡ): dùng làm phần ngăn giữa tấm đỡ và tấm kẹp phía dưới để cho giàn đẩy hoạt động được.
- Tấm kẹp dưới: tấm này kẹp tồn bộ cụm khn dưới thành một khối và kẹp khối này vào bàn máy động của máy ép nhựa.
- Chốt đẩy: dùng để đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn khi khuôn mở.
- Tấm kẹp đẩy (Tấm giữ): giữ chốt đẩy, chốt hồi, chốt giật cuống.
- Tấm đẩy: dùng để chặn các chốt lắp trên tấm kẹp đẩy trong quá trình đẩy sản phẩm ra ngồi, khơng thể rơi các chốt ra được. Tấm đẩy và tấm kẹp đẩy được
bắt chặt thành một khối và được gọi là giàn đẩy. Giàn đẩy nằm phía dưới khn dưới và trên tấm kẹp dưới.
- Chốt hồi: làm cho giàn đẩy có thể quay trở về khi khn đóng lại.
- Trụ kê: dẫn hướng chuyển động và đỡ cho tấm đẩy, tránh cho tấm khuôn khỏi bị cong do áp lực đẩy cao, tăng tuổi thọ cho khuôn.
- Tấm khuôn dưới (Khuôn đực): là một bộ phận cũng rất quan trọng, nó là đường bao quyết định hình dáng bên trong của sản phẩm. Khn dưới và khuôn trên kết hợp với nhau để tạo ra hình dáng hồn chỉnh của chi tiết. Khn trên là bộ phận đứng yên, khuôn dưới là bộ phận di động [8].
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ SẢN PHẨM, PHÂN TÍCH DỊNG CHẢY NHỰA VÀ TÍNH TỐN BỀN KHN
3.1. Thiết kế hình dáng 3D của sản phẩm (CAD).3.1.1. Cơ sở thiết kế. 3.1.1. Cơ sở thiết kế.
Với việc làm ra sản phẩm khn tạo hình trái cây giọt nước chữ thư pháp sẽ đáp ứng được nhu cầu trưng bày, trang trí những kiểu dáng trái cây đẹp, lạ trong những dịp tết. Kiểu dáng khn hình giọt nước là một kiểu dáng đẹp nhưng đơn giản, dễ thiết kế, được hầu hết người tiêu dùng ưa thích (Hình 3.1). Trái cây được ép ra từ khn mang hình dáng giọt nước có phần đế bằng bên dưới trái để có thể trưng bày (Hình 3.2). Kiểu chữ “Thọ” thư pháp được thiết kế cho sản phẩm lấy hình dáng dựa trên kiểu chữ thư pháp hiện đại và phổ biến ngày nay (Hình 3.3). Kiểu chữ “Thọ” trên sản phẩm dùng để ép trái cây đẹp mắt, kiểu chữ này trên thị trường vẫn chưa có sản phẩm nào thiết kế nên
dự đoán sản phẩm sẽ được khách hành quan tâm, ưa chuộng, làm tăng sức cạnh tranh của doanh nghiệp (Hình 3.4).
Hình 3.18: Kiểu dáng giọt nước của khn ép trái cây
Hình 3.19: Kiểu dáng giọt nước của trái cây
Hình 3.21: Chữ Thọ thư pháp trên bề mặt của sản phẩm
Việc thiết kế sản phẩm khn tạo hình trái cây này sẽ được thiết kế dựa trên các tiêu chí sau:
- Sản phẩm có dáng hình giọt nước, chữ “Thọ” thư pháp trên bề mặt, ép cho trái dưa lưới với khối lượng thành phẩm trái cây sau khi ép khoảng 1,5 (kg).
- Sản phẩm nhẹ, đủ bộ bền để có thể ép được trái cây.
- Các kích thước gần chính xác so với thiết kế.
- Sản phẩm có độ bóng và thẩm mỹ.
- Sản phẩm được thiết kế trên phần mềm PTC Creo Parametric.
- Sản phẩm được mơ phỏng dịng chảy nhựa trên phần mềm Moldex 3D.
3.1.2. Yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm sau khí ép.
- Có hình dáng và các kích thước gần giống với thiết kế 3D.
- Khơng có bavia và các lỗi xuất hiện trên sản phẩm nhựa.
- Đạt độ bóng và tính thẩm mỹ theo u cầu.
- Sản phẩm đủ độ bền để ép được trái cây.
- Sản phẩm dùng lại được nhiều lần.
3.1.3. Thiết kế hình dáng 3D sản phẩm bằng phần mềm PTC Creo Parametric.
Khảo sát thực tế tại vườn trái cây.
Nhóm đã bàn bạc, thảo luận và quyết định sẽ thử nghiệm ép sản phẩm trên trái dưa lưới. Từ đó, nhóm tiến hành khảo sát tại vườn dưa lưới (Hình 3.5) cũng như đo đạt
kích thước của trái dưa. Sau đó, dựa vào kích thước này để thiết kế kích thước sản phẩm cho phù hợp. Địa điểm dự định để ép dưa là Trung tâm cơng nghệ sinh học TP Hồ Chí Minh tại địa chỉ số 2347, QL1A, Khu phố 2, Quận 12, TP Hồ Chí Minh.
Hình 3.22: Vườn dưa tại trung tâm
Sau khi đo đạt tại vườn (Hình 3.6), ta thu được các kích thước trái dưa như sau:
- Hình dạng trái dưa: giống dưa dạng trịn.
- Bề dọc: 170 (mm).
- Bề ngang: 165 (mm).
- Khối lượng: khoảng 1,4 – 2 (kg).
Hình 3.23: Đo đạt kích thước trái dưa
Nhóm sẽ dựa vào các kích thước thực tế này để thiết kế sản phẩm với các kích thước phù hợp để có thể ép được trái dưa.
Các bước thiết kế sản phẩm.
- Vẽ sketch hình dáng, kích thước phần thân của sản phẩm (phần dáng hình giọt nước) (Hình 3.7).
Hình 3.24: Sketch phần thân sản phẩm (dáng giọt nước)
- Dùng lệnh Revolve quay biên dạng sketch dưới dạng mặt (Surface) (Hình 3.8).
Hình 3.25: Kết quả revolve biên dạng sketch
- Dùng lệnh Trim để cắt một nửa khối biên dạng tròn xoay của lệnh revolve (Hình 3.9).
Hình 3.26: Kết quả Trim
- Tạo mặt phẳng và vẽ sketch biên dạng của chữ Thọ thư pháp trên mặt phẳng vừa tạo (Hình 3.10).
Hình 3.27: Biên dạng sketch của chữ Thọ thư pháp
- Dùng lệnh Offset để in và phóng biên dạng sketch của chữ Thọ lên bề mặt của lệnh Revolve với chiều cao 2,5 (mm) (Hình 3.11).
Hình 3.28: Kết quả Offset biên dạng sketch của chữ Thọ - Dùng lệnh Thicken để phóng độ dày cho bề mặt Surface (Hình 3.12).
Hình 3.29: Kết quả của lệnh Thicken
- Vẽ sketch và dùng lệnh Extrude để vẽ phần vành ngồi cho sản phẩm (Hình 3.13).
- Vẽ sketch và dùng lệnh Extrude để vẽ 2 nửa lỗ thoát nước và hơi nước cho sản phẩm (Hình 3.14).
Hình 3.31: Vẽ 2 nửa lỗ thốt nước và hơi nước
- Vẽ sketch và dùng lệnh Extrude để vẽ nửa lỗ phần cuống trái cho cho sản phẩm (Hình 3.15).
Hình 3.32: Vẽ nửa lỗ phần cuống trái
- Vẽ sketch và dùng lệnh Extrude để vẽ các lỗ bắt vít trên vành sản phẩm (Hình 3.16).
- Bước cuối cùng là dùng lệnh Round để thực hiện bo cung các vị trí cần thiết để tạo độ thẩm mỹ và thuận tiện cho q trình gia cơng.
Kết quả thiết kế sản phẩm.
Sản phẩm có dáng hình giọt nước với chữ “Thọ” thư pháp trên bề mặt được thể hiện như hình 3.17.
Hình 3.34: Hình dáng 3D của sản phẩm khi thiết kế
Sản phẩm có bề dày đồng nhất là 3 (mm), chữ Thọ có bề cao 2,5 (mm) so với bề mặt cong của thân sản phẩm.
Ngồi ra sản phẩm cịn có một nửa lỗ vng trên phần đầu để phần cuống của trái có thể đưa ra ngồi và 2 nửa lỗ nhỏ ở phần đi để thốt nước và hơi nước cho khuôn khi có mưa hoặc hơi nước đọng lại (Hình 3.18 và 3.19).
Phần vành ngồi của sản phẩm có bề rộng 15 (mm). Đây là phần dùng để lắp ghép 2 nửa sản phẩm lại với nhau để ép trái cây. Trên đó có 11 lỗ để bắt vít lắp ghép lại (Hình 3.19).
Hình 3.36: Lỗ bắt vít và lỗ vng thốt nước và hơi nước 3.1.4. Vật liệu, thể tích và khối lượng của sản phẩm.
- Vật liệu là nhựa PP trong (Polypropylene) với các thơng số kỹ thuật sau: + Cơng thức hóa học: (C3H6)n.
+ Khối lượng riêng: 0,915 (g/cm2).
+ Nhựa dung riêng trung bình: 0,84 – 2,5 (kJ/kg.k). + Nhiệt độ nhựa ép phun: 250 – 270 (oC).
+ Nhiệt độ khuôn: 50 – 70 (oC). + Nhiệt độ sấy: 70 – 80 (oC). + Thời gian sấy: > 1 (giờ).
+ Độ ẩm (phương pháp ASTM): <0,01 (%). + Hệ số co rút: 0,4 – 0,7 (%).
- Thể tích: thực hiện đo đạt trên phần mềm PTC Creo Parametric, ta được thể tích của sản phẩm khoảng V = 139397 (mm3).
- Khối lượng: thực hiện đo đạt trên phần mềm PTC Creo Parametric, ta được khối lượng của sản phẩm khoảng m = 125,7 (g).
3.1.5. Xác định hệ số co rút.
Độ co rút nhựa (Độ co ngót nhựa) hay tỷ lệ co rút nhựa (Shrinkage) là yếu tố quan trọng hàng đầu trong thiết kế khn nhựa INJECTION. Đó là hiện tượng thể tích vật lý của nhựa thay đổi khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Đối với
khuôn ép nhựa. Độ co rút của nhựa trong khuôn ép là q trình thay đổi thể tích của sản phẩm trước và sau quá trình làm mát.
Mức độ co rút trong khuôn ép nhựa được xác định bằng thông số vật lý của nhựa kết hợp với kinh nghiệm của người thiết kế khuôn đối với từng loại nhựa khác nhau. Hiểu một cách đơn giản là để làm ra một sản phẩm bằng cơng nghệ ép phun thì người thiết kế chỉ cần làm cho lịng khn lớn hơn sản phẩm mong muốn một tỷ lệ nào đó để khi sản phẩm được ép ra, co lại đúng với kích thước mà người thiết kế mong muốn [7].
Đối vời nhựa PP, hệ số co rút nhựa là: S = 0,01 – 0,025. Chọn S = 0,01.
3.2. Phân tích CAE dịng chảy nhựa trong khn.
3.2.1. Cơ sở lý thuyết về CAE trong thiết kế và chế tạo khuôn ép nhựa.
Công nghệ CAE trong thiết kế chế tạo khn ép phun nhựa gồm có 3 nội dung chính nêu lên đầy đủ và rõ ràng nhất chức năng, vai trị của CAE trong quy trình chế tạo khn và sản xuất ép phun.
Phân tích phần tử hữu hạn (FEM).
Phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM) là một phương pháp gần đúng để giải một số lớp bài toán biên. Theo phương pháp phần tử hữu hạn, trong cơ học, vật thể được chia thành những phần tử nhỏ có kích thước hữu hạn, liên kết với nhau tại một số hữu hạn các điểm trên biên (gọi là các điểm nút). Các đại lượng cần tìm ở nút sẽ là ẩn số của nút. Tải trọng trên các phần tử cũng được đưa về các nút.
Độ nhớt của chất lỏng (CFD).
- Độ nhớt của nhựa lưu thông trong kênh dẫn là thông số đại diện cho ma sát trong của dòng chảy. Những phần tử trong dòng chảy có tốc độ cao sẽ làm tăng động năng của dịng có tốc độ chậm và ngược lại.
- Độ nhớt của nhựa phụ thuộc vào nhiệt độ, tốc độ dịng chảy khơng giống nhau trong lịng khn và kênh dẫn, dịng chảy trong khuôn là chảy rối.
Lý thuyết truyền nhiệt.
- Lý thuyết truyền nhiệt là nội dung cực kỳ quan trọng trong công nghệ CAE ứng dụng vào thiết kế và chế tạo khuôn ép phun nhựa. CAE đưa ra kết quả phân tích chính xác vị trí tiếp giáp 2 dịng chảy, vị trí sẽ có bọt khí, phân bố nhiệt độ và phân tích q trình làm lạnh trong dự đốn…
- Việc phân bổ truyền nhiệt, chuyển trạng thái nhiệt độ từ giai đoạn này sang giai đoạn khác được cơng nghệ CAE dự đốn cực kỳ chuẩn, giúp hỗ trợ thiết kế và chế tạo khn hồn chỉnh hơn.
3.2.2. Lợi ích, ứng dụng của CAE trong thiết kế và chế tạo khuôn ép nhựa.- Kỹ thuật hỗ trợ máy tính (CAE) là việc sử dụng rộng rãi phần mềm máy tính để - Kỹ thuật hỗ trợ máy tính (CAE) là việc sử dụng rộng rãi phần mềm máy tính để
hỗ trợ các nhiệm vụ phân tích kỹ thuật. Nhờ có các chức năng phân tích nhanh chóng và chính xác, CAE mang đến nhiều lợi ích thiết thực cho thiết kế chế tạo khn và q trình ép phun.
- Phân tích CAE dựa vào đặc tính trình tự của hệ thống, kết hợp lý luận mơ hình để tiến hành phân tích, kết quả có ý nghĩa vật lý có thể hệ thống hóa và khoa học hóa tham số ép phun nhựa và các loại thiết kế đối với trình tự trạng thái, chất lượng sản phẩm, đạt đến mục tiêu ép phun một cách khoa học.
- Kết tạo CAE phân tính có tính tin cậy cực cao. Nó chỉ ra vấn đề tiềm ẩn trong q trình ép phun và thiết kế. Từ đó, đề ra sửa đổi thiết kế và hướng giải quyết trở ngại với những phương án khả thi, có thể tránh điểm mù kinh nghiệm.
- CAE ở giai đoạn thiết kế khn mẫu có thể thực hiện trên máy vi tính đối với các phương án sửa đổi thiết kế tiến hành đánh giá (Evaluate), nhận định (Verify) và tối ưu hóa (Optimize), giảm thời gian và giá thành thử khuôn, sửa khuôn thực tế. Đồng thời, rút ngắn chu trình thử sai thực tế, rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm và thời gian đưa ra thị trường (Time-to-Market), giảm hao phí, thời gian và tiền bạc trong các công đoạn.
- CAE trợ giúp tối đa cho kỹ thuật viên ép phun nhựa dự đoán và nắm bắt thông số ép phun đối với ảnh hưởng chất lượng sản phẩm, tìm ra hướng xử lý và tối ưu hóa thơng số ép phun.
- CAE có thể giúp người sử dụng nhanh chóng nắm bắt vật liệu mới, quy trình mới, thiết kế mới và phương pháp ép phun, có hiệu quả và nhanh chóng tích lũy kinh nghiệm thiết kế chuẩn và hiểu biết về ép phun.
- Để so sánh giữa quy trình thiết kế chế tạo khn bằng cơng nghệ CAE và cơng nghệ truyền thống thì ta thấy được nhược điểm rõ ràng ở công nghệ truyền thống. Nhược điểm đó thể hiện rõ ràng ở giai đoạn thử khn được tiến hành sau khi đã chế tạo xong khn và q trình thử cần phải được tiến hành trên khn thật, nên khi có lỗi phải sửa khn hoặc làm lại khn mới để khắc phục lỗi. Trong khi đó, với cơng nghệ CAE mợi thứ được phân tích kỹ lưỡng và chính
xác, kiểm sốt được những lỗi sai tiềm ẩn khi thiết kế và chế tạo khuôn, cho nên giai đoạn thử khn rất ít phát sinh những lỗi ngồi dự kiến.
- Phần mềm công nghệ CAE đã trở thành thứ khơng thể thiếu được q trình thiết kế và chế tạo khn ép nhựa, quy trình ép nhựa nhựa [9].
3.2.3. Phân tích CAE dịng chảy nhựa của sản phẩm trong khuôn ép nhựa.
Dùng phần mềm Moldex 3D làm cơng cụ hỗ trợ để phân tích dịng chảy nhựa trong khn.
Phân tích thời gian điền đầy (Melt Front Time).
Thông số thời gian điền đầy khn (Melt Front Time) được thể hiện ở hình 3.20: