Chương 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT
3.2. Phân tích CAE dịng chảy nhựa trong khuôn
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
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 khuôn 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 khn 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 khuôn (Melt Front Time) được thể hiện ở hình 3.20:
Hình 3.37: Thời gian điền đầy (Melt Front Time)
Thời gian điền đầy (Melt Front Time) thể hiện thời gian điền đầy nhựa tại các vị trí khác nhau trong lịng khn cũng như cho biết tổng thời gian điền đầy toàn bộ lịng khn. Thơng số này phụ thuộc áp suất phun, kích thước hệ thống kênh dẫn, kích thước cổng phun, nhiệt độ nhựa…
Theo kết quả phân tích ở hình 3.20, thời gian điền đầy sản phẩm trong khn là 2,53 (s).
Nhựa sẽ từ vịi phun của máy ép được bơm vào cuống phun. Do thiết kế theo kiểu cổng phun trực tiếp ở gần giữa sản phẩm nên sau đó nhựa sẽ được điền đầy tỏa trịn ra các phía xung quanh. Những vùng có giá trị thời gian lớn sẽ được điền đầy sau.
Có thể thấy lịng khn được điền đầy tương đối đồng đều theo các phía, khoảng chênh lệnh thời gian giữa những vùng điền đầy sau cùng khơng lớn cho thấy việc bố trí cổng phun hợp lý và điền đầy hết lịng khn.
Phân tích rỗ khí (Air Trap).
Các vị trí có khả năng xuất hiện rỗ khí (Air Trap) được thể hiện ở hình 3.21:
Hình 3.38: Các vị trí có khả năng xuất hiện rỗ khí (Air Trap)
Rỗ khí là các bọt khí xuất hiện trong q trình ép sản phẩm. Các bọt khí này hình thành các lỗ bên trong sản phẩm hoặc làm cho sản phẩm khơng điền đầy hồn toàn.
Hiện tượng này dễ dàng nhìn thấy bằng mắt thường mà khơng cần tác động đến kết cấu sản phẩm. Hiện tượng này dẫn đến khuyết tật hoặc có nguy cơ làm yếu kết cấu sản phẩm, làm mất tính thẩm mỹ của sản phẩm.
Theo kết quả phân tích ở hình 3.21, rỗ khí tập trung trên các cạnh viền ngồi của vành sản phẩm hay nói các khác tại các vị trí điền đầy sau cùng trong lịng khn (các hình cầu màu xanh da trời trong hình 3.21 thể hiện vị trí có thể xuất hiện rỗ khí). Tại những vị trí đó, khơng khí bị dồn nén lại khơng thể thốt ra được và tạo ra rỗ khí. Từ
việc phân tích này, ta sẽ biết được vị trí nào trong lịng khn có khả năng xuất hiện rỗ khí để có biện pháp khắc phục để hạn chế khuyết tật này.
- Nguyên nhân:
+ Khi sản phẩm có các dịng tập trung, thường dồn khí vào một chỗ gây ra bọt khí tại chỗ đó.
+ Trong suốt q trình điền đầy khn, khơng khí được giữ lại trong sản phẩm tại những vùng sản phẩm điền đầy sau cùng.
- Biện pháp khắc phục:
+ Thiết kế sản phẩm có bề dày tại các vị trí phù hợp. + Đổi vị trí cổng phun.
+ Giảm tốc độ phun, vì nếu phun với tốc độ cao thì bọt khí khơng thốt được. + Tuy nhiên, trước hết phải tối ưu hệ thống thốt khí, sau đó mới tính đến việc giảm tốc độ phun.
+ Giảm sự mất áp suất của trục vít hoặc giảm lực ép bằng cách giảm tốc độ (đặc biệt khi bọt khí được hình thành ngay gần cổng phun).
+ Nếu có bọt khí thì cần phải đưa chúng vào vùng dễ thốt khí hoặc thêm các thanh lói vào để thốt khí [3].
Phân tích đường hàn (Weld Line).
Các vị trí có khả năng xuất hiện đườn hàn (Weld Line) được thể hiện ở hình 3.22:
Hình 3.39: Các vị trí có khả năng xuất hiện đườn hàn (Weld Line)
Là hiện tượng một đường không đồng màu (thường có màu trắng bạc) được hình thành trên thành sản phẩm. Các vết đen ở cuối dịng chảy (khơng khí bị giữ lại), các vết hình chữ V, các đường màu khác nhau, đặc biệt khi dùng màu vơ cơ thì đường hàn xuất hiện là các đường màu xám. Dễ thấy trong bóng tối hoặc sản phẩm trong có bề mặt bóng.
Hiện tượng này tiềm ẩn khả năng sản phẩm bị phá vỡ rất cao ngay tại vị trí xuất hiện đường kết nối trong quá trình sử dụng.
Theo kết quả phân tích ở hình 3.22, các đường hàn (thể hiện bằng các đường màu đỏ) tập trung tại thành gần bên phía vành ngoài của các lỗ lắp ghép trên vành sản phẩm hay nói các khác là tại các vị trí giao nhau giữa 2 dịng chảy nhựa.
- Nguyên nhân:
+ Thiết kế cổng vào của đường dẫn nhựa khơng hợp lý. Các dịng chảy gặp nhau.
+ Khơng khí khơng có chỗ thốt ra. - Biện pháp khắc phục:
+ Kiểm tra hệ thống thốt khí của khn hoặc bổ sung thêm rãnh thốt khí. + Có thể thiết kế để đưa các đường weldline vào các vị trí khơng thấy được và khơng chịu lực (cải thiện dịng chảy, hạn chế dòng chảy), kiểm tra thiết kế nếu cần thiết thì mở rộng cuống phun, tránh thay đổi bề dày sản phẩm đột ngột và điền khuôn không đồng nhất.
+ Dùng vật liệu có độ nhớt thấp hơn [3].
Phân tích áp suất phun (Pressure).
Hình 3.40: Áp suất phun (Pressure)
Áp suất phun (Pressure) là một thơng số chính trong q trình ép phun, thơng số này ảnh hưởng đến sự ổn định về mặt kích thước và cơ tính của sản phẩm.
Việc xác định áp suất khn giúp kiểm sốt được sự ổn định của sản phẩm, kiểm soát được khả năng điền đầy khuôn và độ nén chặt của vật liệu.
Áp suất phun ảnh hưởng lớn đến quá trình ép cũng như chất lượng của sản phẩm. Nếu áp suất thấp sẽ điền thiếu nhựa, do đó phải tăng thời gian ép, tăng tốc độ phun gây ra co ngót khơng đều trên sản phẩm. Áp suất cao sẽ làm tăng lực kẹp khuôn và nếu tăng lên cao quá sẽ sinh ra bavia tại mặt phân khn và tại vị trí có khe hở như ở ty lói, hệ thống thốt khí.
Theo kết quả phân tích ở hình 3.23, áp suất phun lớn nhất để điền đầy lịng khn là 20,869 (MPa) tương ứng với thời gian điền đầy là 2,53 (s). Giá trị áp suất lớn nhất tại vị trí đầu cuống phun và giảm dần khi điền đầy xuống lịng khn. Giá trị áp suất này sẽ là giá trị để ta nhập vào thông số trên máy ép nhựa khi tiến hành ép khn. Việc này sẽ giúp ta kiểm sốt các dữ liệu nhập vào, đảm bảo điền đầy lịng khn và dễ dàng thay đổi các giá trị nhập vào khi cần thiết.
Phân tích cong vênh, co rút (Volumetric Shrinkage).
Sự cong vênh, co rút (Volumetric Shrinkage) của sản phẩm được thể hiện ở hình 3.24:
Hình 3.41: Độ cong vênh, co rút của sản phẩm (Volumetric Shrinkage)
Cong vênh, co rút là hiện tượng mà khi sản phẩm ép xong bị uốn cong hoặc bị xoắn sau một thời gian để trong môi trường tự nhiên. Hiện tượng này rất dễ thấy ở những sản phẩm nhựa có dạng tấm dài.
Độ cong vênh, co rút sẽ quyết định sản phẩm sau khi ép ra có đảm bảo đúng hình dạng so với thiết kế ban đầu hay không.
- Nguyên nhân:
+ Cong vênh xảy ra do sự thay đổi co ngót trên khắp sản phẩm.
+ Hiện tượng này là do có một phần nhỏ trên sản phẩm có sự co ngót cao, dẫn đến biến dạng rộng.
+ Sản phẩm lấy ra quá sớm chưa định hình được.
+ Thiết kế khuôn (hệ thống giải nhiệt khuôn) không phù hợp và sản phẩm có sự khác biệt về bề dày dẫn đến áp suất khuôn khác nhau và co rút khác nhau.
+ Nhiệt độ bề mặt khuôn chênh lệch nhiều. - Biện pháp khắc phục:
+ Tăng thời gian áp suất giữ khn để định hình sản phẩm.
+ Điều chỉnh nhiệt độ trên bề mặt khuôn (chú ý sự chênh lệch giữa phần khuôn âm và phần khuôn dương).
+ Kiểm tra lại kết cấu sản phẩm thiết kế khn, kiểm tra sự chế tạo chính xác của khuôn.
+ Tránh ứng suất nội bằng cách chọn vật liệu và hình dạng sản phẩm (cân bằng bề dày) [3].
Theo kết quả phân tích ở hình 3.24, ta thấy phần trăm co ngót thể tích phần lớn nằm ở vùng màu xanh dương và xanh nước biển, giá trị khoảng 1,284 – 4,446% so với lượng thể tích ban đầu theo thiết kế. Vùng co ngót lớn nằm ở vùng các màu cịn lại, giá trị khoảng trên 4,446 – 10,771% phân bố nhỏ chủ yếu ở vùng của cuống phun và gần như khơng đáng kể trên sản phẩm. Do đó, độ cong vênh, co ngót phân bố khá đồng đều trên các vùng thể tích của sản phẩm, đảm bảo cho sản phẩm sau khi ép xong có hình dạng đồng đều, gần giống so với thiết kế, khơng bị móp méo.
Phân tích nhiệt độ (Temperature).
Sự phân bố nhiệt độ nhựa (Temperature) trong khn được thể hiện ở hình 3.25: Nhiệt độ của nhựa sẽ thay đổi trong suốt quá trình di chuyển từ đầu phun máy ép cho đến lịng khn.
Quá trình thay đổi nhiệt độ là do ma sát giữa nhựa và khuôn, do nhiệt truyền ra các tấm khuôn và mơi trường bên ngồi.
Ảnh hưởng của nhiệt độ nhựa quá trình ép phun: + Nhiệt độ thay đổi sẽ làm thay đổi độ nhớt của nhựa.
+ Nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến khả năng nén ép vật liệu vào khuôn. + Nhiệt độ ảnh hưởng đến thời gian làm nguội sản phẩm [3].
Theo kết quả phân tích ở hình 3.25, ta thấy nhiệt độ nhựa trong lịng khuôn phân bố khá đều, nằm trong vùng màu xanh dương và xanh nước biển, giá trị khoảng từ 75,425 – 122,014 (oC), vùng nhiệt độ lớn chủ yếu phân bố ở cuống phun, giá trị khoảng từ trên 122,014 – 215,191 (oC). Điều này đảm bảo cho quá trình trình nén ép vật liệu tốt và thời gian làm nguội nhanh hơn.
Hình 3.42: Sự phân bố nhiệt độ nhựa trong khn (Temperature)
Phân tích tốc độ phun (Flow Rate).
Biểu đồ tốc độ phun (Flow Rate) trong khuôn được thể hiện ở hình 3.26:
Hình 3.43: Biểu đồ tốc độ phun (Flow Rate) trong khuôn
- Tầm quan trọng của tốc độ phun: + Quyết định khả năng điền đầy khn.
+ Đảm bảo tính đồng nhất của vật liệu tại vị trí đầu tiên đến vị trí sau cùng trong lịng khn.
+ Các vùng chịu ảnh hưởng của tốc độ phun là: vùng xung quanh cổng phun, thành phần giao nhau và phần khuôn điền đầy sau cùng.
- Các khuyết tật do tốc độ phun ra:
+ Hiện tượng tạo bọt khí, cong vênh do co rút. + Hiện tượng sản phẩm bị biến màu.
+ Bề mặt không tốt tại vùng gần cổng phun [3].
Theo kết quả phân tích ở hình 3.26, tốc độ phun thấp ở giai đoạn đầu, khoảng 23,632 (cm3/s) và duy trì từ khoảng thời gian đến 0,099 (s), sau đó tăng lên đến 66,169 (cm3/s) và duy trì trong khoảng thời gian từ 0,3 – 2,034 (s), cuối cùng giảm dần trong trong khoảng thời còn lại.
3.3. Tính tốn bền cho bộ khn.3.3.1. Tổng quan về tính bền khn. 3.3.1. Tổng quan về tính bền khn.
Tính bền khn là một cơng đoạn cũng hết sức quan trọng trong q trình thiết kế và chế tạo khn ép nhựa. Nó quyết định xem khn đã thiết kế ra có đủ độ bền hay khơng, có chịu được áp lực từ dịng chảy nhựa đi xuống và khơng gây ra các hư hỏng cho các tấm khuôn.
Việc không thỏa mãn điều kiện bền sẽ làm cho bộ khuôn yếu khi thao tác trên máy ép, tuổi thọ của các tấm khuôn kém, dễ bị hư hỏng, phá vỡ. Đối với tấm khuôn dương sẽ dễ bị võng xuống nhiều (chuyển vị lớn), mặt phân khn khi đó sẽ bị hở, trong khi ép sẽ bị xì nhựa ra ngồi, sinh ra bavia ngay mặt phân khn, làm mất tính thẩm mỹ của sản phẩm phẩm.
Thơng thường khi tính tốn bền, ta thường chỉ tính cho tấm khuôn dương hoặc cụm của tấm khuôn dương (hay cụm các tấm khuôn ở phần di động tiếp xúc lên 2 gối đỡ). Vì đây là phần khn tiếp xúc và chịu áp lực trực tiếp của nhựa lỏng từ cuống phun xuống. Phần khn này áp lên và có một khoảng hở ở giữa so với 2 gối đỡ. Do đó, đây là nơi chịu ứng suất và chuyển vị lớn nhất của bộ khuôn, chỉ cần xét điều kiện bền tại vị trí này sẽ biết được khn đã thiết kế có bền hay không và điều chỉnh lại cho phù hợp.
Khi tính bền, ta quan tâm đến 2 điều kiện bền là ứng suất bền cho phép [σb] và chuyển vị lớn nhất của tấm khuôn.
Nếu không thỏa mãn về điều kiện bền, ta có thể sử dụng các biện pháp để tăng thêm độ bền cho tấm khuôn như đổi vật liệu, tăng độ dày, thêm các chi tiết trụ đỡ bên dưới cụm chi tiết…
3.3.2. Tính tốn bền cho bộ khn.
Sử dụng modul Simulate của phần mềm PTC Creo Parametric 6.0 để tính bền cho bộ khn.
Đối tượng để tính bền của bộ khn là cụm chi tiết gồm tấm khuôn dương, insert khuôn dương và tấm đỡ.
Vì modul Simulate chỉ thực hiện được trên 1 chi tiết nên ta thực hiện merge 3 chi tiết lại thành một chi tiết để tính bền (Xem hình 3.27).
Hình 3.44: Cụm chi tiết tấm khn dương sau khi đã merge
Thơng số đầu vào gồm có:
- Áp suất (Pressure) tác dụng lên cụm chi tiết chính là áp suất phun của nhựa mà ta đã mô phỏng được trong phần mềm Moldex 3D (Xem hình 3.28). Mỗi bề mặt trên lịng khn sẽ chịu một áp suất của nhựa khác nhau nhưng ta không thể chuyển các áp suất này một cách chính xác qua modul Simulate. Biện pháp đơn giản nhất là ta sẽ gán áp suất lớn nhất của nhựa làm ứng suất tác dụng lên tất cả các bề mặt lịng khn. Nếu trường hợp này điều kiện bền được thỏa mãn suy ra