Chương 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT
3.1. Thiết kế hình dáng 3D của sản phẩm (CAD)
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:
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 q 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