TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT KHUÔN MẪU
Tìm hiểu vật liệu chế tạo sản phẩm nhựa và khuôn
1.1.1 Vật liệu chế tạo sản phẩm nhựa i) Vật liệu Polyme
Chất dẻo, hay còn gọi là plastics, là vật liệu được hình thành từ các phần tử cao phân tử Polyme Những phần tử này được tổng hợp từ các thành phần nhỏ hơn gọi là Monome thông qua các phản ứng như trùng hợp, trùng phối, trùng ngưng và đồng trùng hợp.
Chất dẻo là vật liệu dạng rắn trong điều kiện thường và có tính dẻo hoặc chảy lỏng khi được nung nóng ở nhiệt độ nhất định.
Sơ đồ 1.1: Phân loại chất dẻo
Cao phân tử polymer có thể được chia thành hai loại: loại nhân tạo được tổng hợp từ monome và loại tự nhiên bao gồm xenlulô, len, và cao su thiên nhiên Tính chất của các cao phân tử này phụ thuộc vào độ dài của các mạch phân tử, mà độ dài này được xác định bởi phân tử lượng trung bình.
Polyme thành phần hoá học của nó và các phản ứng hoá học là các yếu tố quyết định cơ - lý - hoá của từng loại vật liệu.
Phân loại và tính chất
Chất dẻo được phân loại dựa trên các yếu tố như tính chất vật lý, hóa học, cấu trúc phân tử và khả năng gia công Một trong những phương pháp phân loại phổ biến là theo cấu trúc hóa học của chúng.
Trong các vật liệu polymer, chúng ta có thể phân loại nhựa thành hai loại dựa trên trạng thái sắp xếp chuỗi mạch: nhựa kết tinh và nhựa không kết tinh (vô định hình).
Polyme được phân loại thành hai loại chính: Polyme kết tinh và Polyme định hình Polyme kết tinh có cấu trúc chuỗi mạch được sắp xếp theo một trật tự nhất định, thường có trạng thái đục mờ Ngược lại, Polyme định hình có cấu trúc chuỗi mạch không theo một trật tự nào, thường có độ trong suốt cao Chẳng hạn, nhựa PPMA có độ trong suốt vượt trội hơn cả thủy tinh, cho phép 73% tia cực tím xuyên qua, trong khi thủy tinh Silicat chỉ cho 13% tia cực tím đi qua.
Chất dẻo được chia thành 2 loại: Chất dẻo nhiệt dẻo và chất dẻo nhiệt rắn.
Polyme là vật liệu có khả năng tái sử dụng nhiều lần quá trình chảy mềm khi chịu tác động của nhiệt, và trở nên cứng rắn khi được làm nguội Trong quá trình này, chỉ có sự thay đổi về tính chất vật lý mà không xảy ra phản ứng hóa học.
Nhựa nhiệt rắn là loại vật liệu Polyme có khả năng cứng lại khi chịu tác động của nhiệt hoặc hóa chất, và sau khi đã đóng rắn, nó không thể trở lại trạng thái lỏng khi gặp nhiệt Vì vậy, nhựa nhiệt rắn không thể tái chế từ phế phẩm hoặc sản phẩm đã qua sử dụng Chất dẻo có thể được phân loại dựa trên hình dạng của mạch phân tử.
Có thể phân loại các loại polyme dựa trên hình dạng như sợi tuyến tính, sợi phân nhánh, cấu trúc lưới không gian, hình dây thang, lưới phẳng, hình sao, và cấu trúc răng lược Đồng thời, chất dẻo cũng được phân loại theo công dụng của chúng.
Trong thực tế sản xuất và sử dụng nhựa thường được phân thành 3 loại: Nhựa thông dụng,nhựa kĩ thuật và nhựa hỗn hợp.
Nhựa thông dụng là loại nhựa phổ biến nhất trên toàn cầu, được sử dụng với khối lượng lớn nhờ vào ưu điểm giá thành thấp và khả năng gia công dễ dàng thành các sản phẩm khác nhau.
Nhựa kỹ thuật là loại nhựa vượt trội hơn nhựa thông dụng, với các đặc tính nổi bật như độ bền kéo, khả năng chịu va đập và kháng nhiệt tốt Loại nhựa này thường được sử dụng để sản xuất các chi tiết máy và các linh kiện có yêu cầu tính năng cao.
- Nhựa kĩ thuật chuyên dùng: Là loại nhựa có trọng lượng phân tử rất cao
(1.000.000 hoặc lớn hơn) Mỗi loại chỉ được sử dụng ở một số lĩnh vực riêng biệt. ii) Chất phụ gia trong chất dẻo
Chất bôi trơn đóng vai trò quan trọng trong việc giảm ma sát giữa các mạch hoặc đoạn mạch cao phân tử của chất dẻo, đồng thời cải thiện tính chất chảy khi chịu tác động của nhiệt.
Các loại bôi trơn gồm có:Rượu béo, axit béo, xà phòng kim loại…
Chất hoá dẻo gồm:Este của axit hay rượu, dầu thơm và béo Parafin, các loại rượu như Butanol, Glycol…
Các loại ổn định nhiệt, ổn định tia tử ngoại và chất chống lão hóa được sử dụng nhằm bảo vệ sản phẩm chất dẻo khỏi sự phá hủy do nhiệt trong quá trình gia công và sử dụng.
- Chất ổn định nhiệt.Các chất ổn định nhiệt gồm:Chất hữu cơ, muối Cadmium…
- Chất ổn định ánh sáng.Các chất ổn định ánh sáng gồm:Các bon đen, bột màu…
- Chất ổn định chống lão hoá.Chất phòng lão gồm: Phòng lão Fenolic, phòng lão Amin…
Máy đùnĐầu đùn Tạo cỡ Làm nguội
Thiết bị kéo sản phẩm
Sản phẩm được đùn Năng lượng
Chất làm chậm cháy cung cấp khả năng kháng cháy cho chất dẻo bằng cách ngăn chặn phản ứng oxy trên bề mặt tiếp xúc với lửa hoặc nhiệt Cơ chế hoạt động của chúng là tạo ra một lớp bảo vệ trên bề mặt chất dẻo, giúp giảm thiểu nguy cơ cháy nổ.
Chất độn là các chất trơ được thêm vào nhựa nhằm nâng cao độ bền và đáp ứng các yêu cầu sử dụng khác Ngoài ra, việc sử dụng chất độn còn giúp giảm chi phí sản phẩm.
Có chất độn vô cơ và hữu cơ Chất độn cacbonat canxi và cao lanh, bột tan…được sử dụng nhiều hơn cả.
1.1.2 Các phương pháp gia công chất dẻo a Công nghệ cán
Quá trình cán là phương pháp sản xuất trong ngành gia công chất dẻo, trong đó chất dẻo nhiệt dẻo được chế biến thành tấm hoặc màng.
Các máy cán thường sử dụng là các máy có 4 hoặc 5 trục cán xếp theo các dạng chữ I, L, F, Z
Hình 1.1: Các loại thiết bị cán chữ I, L,F, Z
Tìm hiểu về máy ép phun
1.2.1 Cấu tạo máy ép phun
Hình 1.2: Máy ép phun i) Hệ thống hỗ trợ ép phun : (inection press support system)
Là hệ thống giúp vận hành máy ép phun Hệ thống này gồm 4 hệ thống con :
Hệ thống thủy lực (Hydraulic system)
Hệ thống làm nguội ( Cooling system)
Hệ thống điện (electric system )
Hệ thống làm nguội (Cooling system) ii) Hệ thống phun
Hệ thống phun nhựa hoạt động bằng cách đưa nhựa vào khuôn thông qua các giai đoạn như cấp nhựa, nén, khử khí, làm chảy dẻo, phun nhựa lỏng và định hình sản phẩm.
- Phễu cấp liệu (Hopper) - Khoang chứa liệu (Barrel)
- Các băng gia nhiệt (Heaterband)- Trục vít (Screw)
- Bộ hồi tự hở (Non-return Assembly)- Vòi phun (Nozzle)
Hệ thống phun bao gồm các bộ phận quan trọng như phễu cấp liệu, khoang chứa liệu, các băng gia nhiệt và trục vít Phễu cấp liệu chứa vật liệu dạng viên để cung cấp vào khoang trộn Khoang chứa liệu không chỉ chứa nhựa mà còn cho phép vít trộn di chuyển qua lại, được gia nhiệt nhờ các băng cấp nhiệt, cung cấp từ 20 đến 30% nhiệt độ cần thiết để làm chất lỏng vật liệu nhựa Các băng gia nhiệt giữ cho nhiệt độ khoang chứa liệu ổn định, giúp nhựa bên trong luôn ở trạng thái chảy dẻo Cuối cùng, trục vít có nhiệm vụ nén, làm chảy dẻo và tạo áp lực để đẩy nhựa dẻo vào lòng khuôn.
Trục vít có cấu tạo gồm 3 vùng được minh họa trong hình 1.3
Hình 1.3: Cấu tạo trục vít
Vùng cấp liệu là khu vực gần phễu cấp liệu, chiếm khoảng 50% chiều dài của trục vít, có chức năng làm đặc vật liệu thành khối và chuyển chúng qua vùng nén Trong vùng này, chiều sâu của các cánh vít lớn nhất và hầu như không thay đổi.
Vùng nén hay vùng chuyển tiếp chiếm khoảng 25% chiều dài hoạt động của trục vít, nơi mà đường kính ngoài của trục vít không đổi nhưng chiều sâu các cánh vít giảm dần từ vùng cấp liệu đến cuối vùng định lượng Cấu trúc đặc biệt này giúp các cánh vít nén chặt nhựa vào thành trong của khoang chứa liệu, tạo ra nhiệt ma sát Nhiệt ma sát này cung cấp khoảng 70 đến 80% lượng nhiệt cần thiết để làm chảy dẻo vật liệu.
Vùng định lượng chiếm khoảng 25% chiều dài hoạt động của trục vít, có chức năng cung cấp nhiệt độ để vật liệu chảy dẻo đồng nhất và bắn vật liệu vào khuôn qua cuống phun Chiều sâu cánh vít ở vùng này là nhỏ nhất và hầu như không đổi Để đánh giá khả năng làm chảy dẻo của trục vít, người ta dựa vào hai thông số chính là L/D và Df/Dm, với tỉ lệ L/D tối thiểu là 20:1 và Df/Dm thường là 3:1, 2.5:1 và 2:1 Bộ hồi tự hở hay van hồi tự mở gồm vòng chắn hình nêm, đầu trục vít và seat, có chức năng tạo ra dòng nhựa bắn vào khuôn.
Hình 1.4: Bộ hồi tự hở
Khi trục vít lùi, vòng chắn hình nêm di chuyển về phía vòi phun, cho phép nhựa chảy về phía trước đầu trục vít Ngược lại, khi trục vít di chuyển về phía trước, vòng chắn sẽ tiến về hướng phễu, đóng kín với seat để ngăn chặn nhựa chảy ngược Vòi phun có vai trò kết nối khoang trộn với cuống phun, cần có hình dạng đảm bảo kín khít với khoang trộn và khuôn, và nhiệt độ vòi phun nên được cài đặt lớn hơn hoặc bằng nhiệt độ chảy của vật liệu.
Hệ thống kẹp đóng vai trò quan trọng trong việc mở và đóng khuôn, cung cấp lực kẹp cần thiết để giữ khuôn trong quá trình làm nguội Ngoài ra, nó còn giúp đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn khi chu kỳ ép phun kết thúc.
Hệ thống này gồm các bộ phận :
Cụm đẩy của máy (Machine ejectors)- Cụm kìm (Clamp cylinders)
Tấm di động (Moveable platen) - Tấm cố định (Stationary platen)
Tìm hiểu khuôn ép phun
1.3.1 Phân loại các bộ khuôn ép phun i) Khái niệm cơ bản
Khuôn là một bộ phận bao gồm nhiều chi tiết lắp ghép, nơi nhựa được phun vào, làm nguội và đẩy sản phẩm ra Sản phẩm được hình thành giữa hai phần của lòng khuôn, với khoảng trống giữa chúng được lấp đầy bởi nhựa, mang hình dáng của sản phẩm cuối cùng.
Lòng khuôn là phần lõm vào, xác định hình dạng của sản phẩm, trong khi lõi khuôn là phần lồi ra, xác định hình dạng bên trong của sản phẩm.
Yêu cầu kỹ thuật đối với khuôn ép các sản phẩm nhựa
- Đảm bảo độ chính xác về kích thước, hình dáng, biên dạng của sản phẩm.
- Đảm bảo độ bóng cần thiết cho cả bề mặt của lòng khuôn và lõi để đảm bảo độ bóng của sản phẩm.
- Đảm bảo độ chính xác về vị trí tương quan giữa hai nửa khuôn.
- Đảm bảo lấy được sản phẩm ra khỏi khuôn một cách dễ dàng.
- Vật liệu chế tạo khuôn phải có tính chống mòn cao và dễ gia công.
Khuôn cần được trang bị hệ thống làm lạnh xung quanh lòng khuôn để duy trì nhiệt độ ổn định, giúp vật liệu dễ dàng điền đầy và định hình nhanh chóng, từ đó rút ngắn chu kỳ ép và nâng cao năng suất Cấu tạo chung của khuôn và cách phân loại cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất.
Khuôn là dụng cụ thiết yếu trong sản xuất, dùng để tạo hình sản phẩm với kích thước và hình dạng cụ thể Kích thước và cấu trúc của khuôn phụ thuộc vào sản phẩm cần tạo ra Có nhiều loại khuôn khác nhau, mỗi loại sở hữu những đặc điểm cấu trúc riêng biệt Đặc biệt, đối với khuôn dùng cho vật liệu nhựa, cấu trúc cơ bản bao gồm các phần thiết yếu giúp tạo ra sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng.
- Vùng lòng khuôn - Bộ phận điều tiết nhiệt độ khuôn
- Bộ gá lắp khuôn vào máy- Bộ phận dẫn vật liệu
Cấu tạo một bộ khuôn ép nhựa thông dụng.
Hình 1.6: Cấu tạo khuôn ép phun
Chức năng của các bộ phận:
1 Tấm đỡ giữ cho mảnh ghép của khuôn không bị rơi ra ngoài.
2 Khối đỡ làm phần ngăn giữa tấm đỡ và tấm kẹp phía sau để cho tấm đẩy hoạt động được.
3 Tấm giữ giữ chốt đẩy vào tấm đẩy
4 Tấm đẩy và chốt đẩy di chuyển đồng thời.
6 Bạc dẫn hướng chốt, tránh mòn và hỏng chốt đỡ
7 Chốt đỡ dẫn hướng chuyển động và đỡ cho tấm đỡ
8 Chốt hồi về làm chốt đẩy quay về khi khuôn đóng lại.
10 Tấm kẹp phía sau kẹp phần chuyển động của khuôn vào máy ép phun.
11 Tấm khuôn sau là phần chuyển động của khuôn tạo thành phần trong và ngoài của sản phẩm
12 Bạc dẫn hướng tránh mài mòn hoặc làm hỏng tấm khuôn sau
13 Chốt dẫn hướng giúp phần chuyển động gắn với phần cố định chính xác.
14 Tấm khuôn phía trước là phần cố định của khuôn tạo thành phần trong và ngoài của sản phẩm.
15 Tấm kẹp phía trước:kẹp phần cố định của khuôn vào máy ép phun.
16 Bạc cuống phun nối vòi phun và kênh nhựa với nhau qua tấm kẹp phía trước và tấm khuôn trước.
18 Vòng định vị đảm bảo vị trí thích hợp của vòi phun vào khuôn
19 Chốt đẩy đẩy sản phẩm ra ngoài khi khuôn mở.
Hình 1.7: Cấu tạo khuôn thực tế
Khuôn nhìn chung có thể được chia ra theo các nhóm khuôn chính như sau: a Nhóm khuôn đơn giản chỉ gồm chầy và cối
Khuôn trong nhóm này có cấu tạo đơn giản, chỉ bao gồm chầy và cối, với quy trình tháo sản phẩm dễ dàng nhờ vào các chốt đẩy và chốt Z giữ kênh nhựa, thường sử dụng khuôn hai tấm Các miếng ghép lòng khuôn, nếu có, chỉ nhằm mục đích tạo hình và giảm độ phức tạp trong gia công Sản phẩm chủ yếu có dạng nửa hộp hoặc khối mà không có phần cửa sổ cắt ngang, như thể hiện rõ qua hình 1.8.
Hình 1.8: Nhóm khuôn đơn giản b Nhóm khuôn có lõi phụ
Nhóm sản phẩm này bao gồm chầy và cối, nhưng thiết kế của chi tiết có những phần khó tháo khi khuôn sản phẩm được tháo ra Một số vị trí trong lòng khuôn gần như không thể gia công, dẫn đến việc gia công trở nên phức tạp Tuy nhiên, việc sử dụng một lõi phụ sẽ giúp đơn giản hóa quá trình này rất nhiều.
Hình 1.9: Nhóm khuôn có lõi phụ c Nhóm khuôn có miếng ghép lòng khuôn di trượt
Khuôn này được sử dụng cho các sản phẩm phức tạp, bao gồm những chi tiết có cửa sổ cắt ngang hoặc lỗ sâu, cũng như các chi tiết có gờ Hầu hết các loại khuôn này có cấu trúc dạng chốt xiên.
Khi khuôn mở ra và chốt xiên di chuyển, lòng khuôn sẽ được tách thành hai hoặc nhiều phần theo chiều ngang, giúp việc lấy sản phẩm ra trở nên dễ dàng hơn.
Khuôn được phân loại thành nhiều loại khác nhau, và việc phân loại này gặp khó khăn do cấu tạo và nguyên lý hoạt động của khuôn phụ thuộc vào hình dáng sản phẩm Tùy theo hình dạng, khuôn có thể là khuôn đơn, khuôn ghép, hoặc khuôn có chốt trượt Một số loại khuôn không có kênh nhựa hoặc có nhiều khoảng sáng, do đó ba loại khuôn chính bao gồm các bộ khuôn khác nhau.
- Khuôn hai tấm- Khuôn ba tấm
- Khuôn nhiều tầng - Khuôn không rãnh dẫn
- Khuôn cho sản phẩm có ren
1.3.2 Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các bộ khuôn a Khuôn 2 tấm Đây là loại khuôn rất thường gặp trong sản xuất Nó gồm hai mảnh, mảnh khuôn trước cố định mảnh khuôn sau chuyển động Mảnh khuôn trước này thường có phần dẫn nhựa láng vào khuôn gọi là bạc cuống phun, một phần của lòng khuôn, và có phần dẫn hướng cho mảnh khuôn sau hình (1.12)
Mảnh khuôn sau thường có phần của lòng khuôn hệ thống đẩy sản phẩm ra,phần đì khuôn, lỗ dẫn hướng, lỗ làm mát
- Tấm cố đinh: Có chứa phần dẫn nhựa láng vào lòng khuôn và có một phần của lòng khuôn.
- Bạc cuống phun: Dẫn nhựa vào lòng khuôn.
- Lòng khuôn: Sản phẩm được định hình và tạo thành ở đây.
-Tấm di động: Phần này có một nửa của khuôn, chuyển động ra vào để tạo khuôn ép sản phẩm và lấy sản phẩm ra.
- Hệ thống đẩy: Nằm trong khuôn sau, đẩy sản phẩm đã được định hình ra khỏi khuôn
- Lõi giúp tạo lỗ trong sản phẩm.
Khuôn hai tấm cơ bản có cấu tạo đặc biệt, trong đó khuôn có một lòng không cần thiết kế kênh dẫn nhựa, vì nhựa có thể điền trực tiếp qua bạc cuống phun Tuy nhiên, đối với khuôn hai tấm có nhiều lòng, việc thiết kế kênh dẫn nhựa và miệng phun là rất quan trọng để đảm bảo nhựa có thể điền đầy tất cả các lòng khuôn một cách đồng thời, nhằm giải quyết vấn đề cân bằng dòng chảy của nhựa.
Để đảm bảo cân bằng dòng chảy nhựa, việc bố trí các miệng phun thẳng hàng với lòng khuôn là rất quan trọng Tuy nhiên, thiết kế khuôn hai tấm với nhiều lòng khuôn có thể gặp hạn chế cho một số sản phẩm nhựa nhất định Để khắc phục vấn đề này, khuôn ba tấm hoặc khuôn hai tấm có kênh dẫn nóng được sử dụng để cải thiện hiệu suất sản xuất.
Khuôn này gồm ba phần chính: Phần cố định, phần chuyền động và phần thứ ba có thể tháo kênh nhựa.
- Phần cố định: gồm tấm kẹp trước và một tấm trung gian để tháo miệng phun.
Phần chuyển động không chỉ đảm nhận vai trò như phần chuyển động của khuôn hai tấm, mà còn bao gồm thêm cơ chế tạo ra chuyển động giữa khuôn sau và tấm thứ ba.
- Phần tháo kênh nhựa để tháo hệ thống kênh nhựa.
Khuôn ba tấm dùng khi cần đến nhiều miệng phun nhỏ, nhiều sản phẩm cùng một lúc hoặc dùng khi có sản phẩm lớn đòi có miệng phun ở bên.
Hình 1.11: Cấu tạo khuôn 3 tấm
Khuôn ba tấm được sử dụng khi hệ thống kênh dẫn không thể bố trí trên cùng một mặt phẳng như khuôn hai tấm, điều này có thể xảy ra do nhiều yếu tố khác nhau.
- Khuôn có nhiều lòng khuôn.
- Khuôn có một lòng khuôn nhưng phức tạp nên cần hơn một vị trí phun nhựa.
- Khó khăn trong việc chọn vị trí phun thích hợp.
- Vì cần phải cân bằng dòng chảy nhựa giữa các kênh dẫn với nhau nên buộc phải thiết kế kênh dẫn không nằm trên mặt phân khuôn.
- Giá thành thấp hơn khuôn hai tấm có kênh dẫn nóng.
- Ít bị hỏng hóc hơn khuôn có kênh dẫn nóng.
- Có thể phù hợp với vật liệu chịu nhiệt kém.
- Chu kì ép phun tăng do hành trình của dòng nhựa để đến được lòng khuôn dài.
- Lãng phí nhiều vật liêu.
- Cần áp suất phun lớn để điền đầy. c Khuôn nhiều tầng
Để đáp ứng nhu cầu sản xuất lớn và giữ giá thành sản phẩm thấp, hệ thống khuôn nhiều tầng được thiết kế nhằm giảm lực kẹp của máy, phù hợp với các loại máy nhỏ Hệ thống này bao gồm một cơ chế đẩy ở mỗi mặt của khuôn.
Hình 1.12 : Cấu tạo của khuôn nhiều tầng
Về kết cấu khuôn nhiều tầng về cơ bản gồm 3 phần chính:
- Phần một là gồm tấm kẹp cố định để kẹp một phần tấm khuôn là phần lõi khuôn, hệ thống phun nhựa và hệ thống chốt đẩy.
- Phần hai là tâm khuôn di chuyển chứa các lòng khuôn và kênh nhựa.
- Phần ba là hệ thống chuyển động có chức năng giống chức năng ở khuôn hai tấm
Nguyên lý hoạt động giống khuôn 2 tấm nhưng chi khác ở chỗ, khi nhựa được ép xong thì sản phẩm đều được lấy từ khuôn 2 tấm khuôn ngoài.
1.3.3 Cơ sở lý thuyết thiết kế khuôn i) Cơ sở dữ liệu cần thiết trước khi thiết kế khuôn
* Các số liệu về sản phẩm: Bản vẽ chi tiết (mẫu), vật liệu nhựa, số lượng sản phẩm, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm.
* Số liệu về máy phun nhựa
Tìm hiểu công nghệ ép phun nhựa
Công nghệ ép phun là quy trình phun nhựa nóng chảy vào khuôn, nơi mà khuôn được giữ chặt và làm nguội vật liệu Khi nhựa đông đặc, nó sẽ tạo thành hình dáng sản phẩm theo khuôn đã định.
Hình 1.13: Quá trình ép phun
Quá trình ép phun bắt đầu khi máy được cấp vật liệu vào phễu, và dưới áp lực, vật liệu di chuyển vào xi lanh Tại đây, vật liệu được làm nóng chảy nhờ hệ thống nung điện trở Sau khi trở thành chất lỏng nóng chảy, vật liệu được phun vào khuôn khi hai nửa khuôn được ép chặt bằng hệ thống thủy lực Sau khi khuôn được điền đầy, sản phẩm được giữ lại để hình thành và làm mát Khi vật liệu đã đông đặc và ổn định, khuôn mở ra và hệ thống đẩy sẽ đưa sản phẩm ra ngoài.
Sản phẩm nhựa hiện diện rộng rãi trong cả lĩnh vực dân dụng và công nghiệp, với hình dáng và màu sắc đa dạng Chúng đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hiện đại và hầu hết được sản xuất thông qua công nghệ ép phun.
Với những ưu điểm nổi bật như độ dẻo, độ bền, trọng lượng nhẹ, khả năng tái chế và tính an toàn cho con người, vật liệu nhựa đã dần thay thế các vật liệu truyền thống như sắt, nhôm, gang và đồng, vốn đắt đỏ và khó chế tạo Trong tương lai, sản phẩm nhựa vẫn sẽ tiếp tục được sử dụng rộng rãi cho đến khi có vật liệu mới ưu việt hơn xuất hiện Do đó, ngành công nghiệp ép phun sản phẩm nhựa vẫn giữ vai trò quan trọng trong nền kinh tế hiện đại.
GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CAE VÀ CNC
Công nghệ CAD/CAM/CAE
CAD, viết tắt của Computer Aided Drafting hoặc Computer Assisted Design, là quá trình sử dụng máy tính để thiết kế và lập bản vẽ Trước đây, các bản vẽ kỹ thuật thường được thực hiện bằng tay, một công việc tốn nhiều thời gian và công sức, đặc biệt với những chi tiết phức tạp Ngày nay, CAD đã trở thành công cụ phổ biến trong nhiều lĩnh vực, không chỉ giới hạn trong cơ khí sản xuất mà còn mở rộng ra xây dựng, kiến trúc, mỹ thuật, thương mại và y học.
CAD chủ yếu được sử dụng trong thiết kế và phát triển sản phẩm.CAD chủ yếu là để thể hiện mô hình 3D và bản vẽ 2D
Ưu,nhược điểm của CAD (Advantages of CAD): a Ưu điểm của CAD
- Tạo và sửa lỗi dễ dàng hơn.
- Lưu và tái sử dụng các bản vẽ dễ dàng hơn bằng đĩa cứng hay CD.
- Tăng độ chính xác do vẽ bằng máy tính nên bản vẽ xuất ra chắc chắn chính xác hơn làm bằng tay.
Lưu trữ dữ liệu trong cơ sở dữ liệu giúp quản lý dễ dàng hơn và cho phép chuyển file mô hình một cách thuận tiện Điều này không chỉ giảm thiểu thời gian trao đổi thảo luận giữa các kỹ sư ở các địa điểm khác nhau mà còn nâng cao hiệu quả làm việc nhóm.
- Việc phân tích mô phỏng và kiểm tra mô hình 3D dễ dàng hơn. b Nhược điểm của CAD
- Thời gian và chi phí cho việc đào tạo người sử dụng CAD lớn.
- Thời gian và chi phí cho việc chuyển các bản vẽ cũ vẽ bằng tay sang CAD lớn.
CAM (Computer Aided Manufacture) là phần mềm hỗ trợ sản xuất, giúp tạo ra mã G-code hợp lệ cho máy CNC Máy CNC sau đó sẽ thực hiện cắt theo hình dạng đã được thiết kế trước bởi hệ thống.
Tạo dữ liệu đầu vào cho các máy điều khiển số (chương trình gia công cho máy điều khiển số).
+ Khai báo mô hình chi tiết cần gia công (dụng cụ, phương án, thông số tạo hình
+ Khai báo thông số công nghệ.
+ Kết xuất chương trình NC với máy điều khiển số.
Ứng dụng của CAM được chia làm 2 loại chính:
+ Lập kế hoạch sản xuất.
CAE, viết tắt của "Computer Aided Engineering", là phương pháp sử dụng công nghệ máy tính để thực hiện các thử nghiệm, tính toán và mô phỏng nhằm tìm ra giải pháp thiết kế tối ưu nhất về chi phí và thời gian, dựa trên các thuật toán như FEM.
Các bước thao tác CAE:
Thu thập và xử lý thông tin là bước quan trọng trong thiết kế sản phẩm Quá trình này bao gồm việc thu thập các dữ liệu liên quan đến điều kiện thiết kế, sau đó sàng lọc và xử lý thông tin để xác định các ràng buộc và yêu cầu cần thiết Mục tiêu cuối cùng là tìm ra giải pháp thiết kế hiệu quả và đạt được mục tiêu đề ra.
Đưa ra ý tưởng thiết kế gần gũi với cấu trúc sản phẩm là bước quan trọng đầu tiên Trong giai đoạn này, nhà thiết kế chỉ cần phác thảo khái quát ý tưởng trên giấy.
Để chỉnh lý ý tưởng thiết kế, cần lập bảng phân tích và đánh giá các yếu tố cấu thành sản phẩm như tính năng, phẩm chất, giá thành và tính công nghệ trong kết cấu Việc này giúp xác định điểm mạnh và điểm yếu của từng ý tưởng, từ đó tối ưu hóa thiết kế cho hiệu quả cao nhất.
- Phân tích, tính toán kỹ thuật với CAE với 3 pha như sau:
Tiền xử lý là bước quan trọng trong việc chuẩn bị các thông số cần thiết cho quá trình giải tích, bao gồm việc định nghĩa các phần tử hữu hạn trong mô hình, thiết lập các thông số vùng biên và các thông số môi trường.
Hậu xử lý là bước quan trọng trong phân tích hình ảnh và các trị số từ kết quả do bộ hậu xử lý cung cấp Các lĩnh vực ứng dụng của CAE bao gồm cơ khí, điện, điện tử, kiến trúc và hóa học, cho thấy sự đa dạng và tính linh hoạt của công nghệ này trong nhiều ngành nghề khác nhau.
Mối quan hệ của CAD/CAM CAE /CNC được mô tả như ở sơ đồ sau.
Sơ đồ 2.1: Mối quan hệ CAD/CAM/CAE/CNC 2.1.4 Quy Trình liên thông CAD/CAM/CAE a Theo phương pháp truyền thống
Sơ đồ 2.2: Quy trình thiết kế & chế tạo khuôn theo phương pháp truyền thống b Theo phương pháp hiện nay
Sơ đồ 2.3: Quy trình thiết kế & chế tạo khuôn theo phương pháp hiện nay
Các bước tiến hành thiết kế với CAD
CAE –cho phép những người thiết kế và chế tạo khuôn rút ngắn được thời gian thiết kế cũng như chi phí trong việc sản xuất khuôn.
Sơ đồ 2.4: Các bước chế tạo khuôn mẫu cổ điển
Trên sơ đồ cổ điển, việc thử khuôn được thực hiện sau khi hoàn tất chế tạo khuôn, và quá trình thử nghiệm này cần diễn ra trên khuôn thực tế.
Sơ đồ 2.5: Các bước chế tạo khuôn mẫu có sự giúp đỡ của CAE
Trong sơ đồ hỗ trợ bởi CAE, việc thử khuôn diễn ra trước khi chế tạo thực tế, với các thử nghiệm chỉ được thực hiện trên mô hình máy tính Phương pháp này giúp nhà thiết kế tiết kiệm thời gian và chi phí, trong khi quá trình thử nghiệm thực tế chủ yếu nhằm đánh giá lại các thông số kỹ thuật của bộ khuôn.
Tìm hiểu công nghệ CNC
2.2.1 Kết cấu máy CNC nói chung
Hình 2.1: Sơ đồ máy chung CNC
Gồm 2 phần chính đó là:
+ Phần cơ khí: Đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục mít me bi, ổ tích dụng cụ, cụm trục chính và băng dẫn hướng.
+ Phần điều khiển: các loại động cơ, các hệ thống điều khiển và máy tính trung tâm.
Hình 2.2: Trạm gia công khuôn mẫu nhanh
Cuộc cách mạng máy tính điện tử đã làm thay đổi mạnh mẽ nền sản xuất công nghiệp toàn cầu Trong ngành chế tạo khuôn mẫu hiện đại, công nghệ thông tin được áp dụng rộng rãi, giúp chuyển đổi nhanh chóng từ quy trình sản xuất truyền thống sang công nghệ cao Nhờ đó, các giai đoạn thiết kế và chế tạo khuôn mẫu ngày càng được tự động hóa.
Việc áp dụng công nghệ CNC cùng với các chương trình CAD/CAM/CAE đã nâng cao mức độ tự động hóa trong sản xuất, dẫn đến năng suất lao động tăng rõ rệt và cải thiện độ chính xác cũng như độ ổn định của sản phẩm Máy CNC có khả năng gia công các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao, điều mà máy công cụ thông thường khó thực hiện Nhờ những ưu điểm vượt trội này, hiệu quả kinh tế tăng lên khi công nghệ CNC được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy Trên thế giới, công nghệ CNC đã được sử dụng phổ biến ở các nước công nghiệp phát triển từ nhiều năm trước, và ở Việt Nam, công nghệ này cũng đang dần được áp dụng và thay thế công nghệ gia công cổ điển trong bối cảnh hội nhập và phát triển.
Trong bối cảnh hiện nay, việc áp dụng công nghệ CNC trong ngành sản xuất khuôn mẫu trở nên cần thiết Lòng và lõi khuôn, phần quyết định hình dạng sản phẩm, thường có biên dạng phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao, ảnh hưởng trực tiếp đến hình dáng và chất lượng sản phẩm Để gia công lòng và lõi khuôn, có thể sử dụng các máy gia công điều khiển số như máy phay CNC, máy tiện CNC, máy xung tia lửa điện CNC và máy cắt dây CNC, thường từ 3 đến 5 trục Đối với biên dạng đơn giản, một máy có thể gia công toàn bộ, nhưng với các biên dạng phức tạp và yêu cầu cao về độ chính xác và độ bóng, thường cần kết hợp nhiều máy để đảm bảo đạt yêu cầu kỹ thuật.
Trong ngành sản xuất khuôn mẫu, máy phay CNC và máy xung định hình là hai loại máy gia công phổ biến nhất Máy phay từ 3 đến 5 trục cho phép gia công các biên dạng phức tạp như phay bề mặt, hốc, rãnh và các hình dạng 3D Gần đây, sự phát triển của công nghệ đã dẫn đến việc chế tạo bàn xoay, khi lắp đặt bàn xoay cho máy CNC, khả năng gia công của máy được nâng cao đáng kể Việc này giúp tăng thêm một hoặc nhiều trục chuyển động, từ đó mở rộng khả năng gia công các biên dạng phức tạp hơn.
Máy xung định hình, hay máy xung tia lửa điện, sử dụng điện cực có hình dạng sản phẩm để tạo biên dạng cho lòng và lõi khuôn trên phôi Để chế tạo điện cực, có thể sử dụng máy phay CNC, giúp việc gia công biên dạng cho điện cực trở nên đơn giản hơn so với lòng lõi khuôn Gia công các mặt lồi của điện cực dễ dàng hơn nhiều so với các mặt lõm của lòng lõi khuôn Sự phát triển của công nghệ CAD/CAM CAE và CNC đã dẫn đến phương pháp tạo mẫu nhanh, giúp quá trình chế tạo điện cực trở nên nhanh chóng và hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống.
Hiện nay, việc ứng dụng máy gia công CNC trong lĩnh vực chế tạo khuôn mẫu tại Việt Nam đã trở nên phổ biến, với hầu hết các cơ sở sản xuất đều sở hữu ít nhất một máy phay CNC và một máy xung tia lửa điện Tuy nhiên, nhiều máy CNC hiện tại không đồng bộ và chủ yếu là máy cũ nhập khẩu từ Nhật Bản hoặc châu Âu, trong khi các máy mới chủ yếu đến từ Trung Quốc Mặc dù các máy này có khả năng gia công các bộ khuôn mẫu đơn giản với tiêu chuẩn không quá khắt khe, nhưng đối với các khuôn mẫu yêu cầu độ chính xác cao cho các sản phẩm công nghiệp như linh kiện ôtô, xe máy, máy giặt hay tủ lạnh, chúng vẫn chưa đáp ứng đủ yêu cầu, dẫn đến việc phải nhập khẩu bán thành phẩm hoặc khuôn mẫu từ nước ngoài.
Máy điều khiển số (CNC) là thiết bị cắt kim loại hiệu quả, phổ biến trong các nhà máy cơ khí Việc sử dụng máy CNC không chỉ nâng cao mức độ tự động hóa trong gia công mà còn cho phép điều chỉnh nhanh chóng để chế tạo các chi tiết theo yêu cầu kỹ thuật.
Khi vận hành máy CNC, công nhân cần thực hiện nhiều bước quan trọng như cấp phôi, tháo chi tiết đã gia công, gá công cụ và thay đồ gá Trước khi bắt đầu gia công, người thợ phải mở máy, kiểm tra chi tiết và quan sát hoạt động của máy Đặc biệt, họ cần nhập vào hệ thống điều khiển một chương trình gia công dưới dạng chuỗi lệnh điều khiển Hệ thống lệnh điều khiển số sẽ thực hiện và kiểm tra các lệnh này thông qua hệ thống đo dịch chuyển của bàn trượt máy.
Công nghệ CNC – Computer Numerical Control(Điều khiển có sự trợ giúp của máy tính) với hàng loạt các ưu điểm nổi bật, đặc biệt như:
Tự động hóa sản xuất
Máy CNC đóng vai trò quan trọng không chỉ trong ngành cơ khí mà còn trong các lĩnh vực như may mặc và giày dép Chúng nâng cao mức độ tự động hóa, giảm thiểu sự can thiệp của người vận hành và cho phép máy tự động chạy liên tục sau khi nạp chương trình gia công Điều này không chỉ giải phóng nhân lực cho các công việc khác mà còn giảm thiểu hỏng hóc do lỗi vận hành, cải thiện độ chính xác trong thời gian gia công và không yêu cầu người vận hành có kỹ năng thao tác cao như với máy công cụ truyền thống.
Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm
Máy CNC thế hệ mới mang lại khả năng gia công sản phẩm với độ chính xác và độ phức tạp vượt trội so với máy công cụ truyền thống Sau khi chương trình gia công được kiểm tra và điều chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo tính nhất quán và chất lượng cao trong quá trình sản xuất.
“ra lò” hàng loạt sản phẩm với chất lượng đồng nhất Đây là yếu tố vô cùng quan trọng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn.
Chế tạo chi tiết mới trên máy CNC yêu cầu nạp chương trình gia công mới, kết nối với phần mềm CAD/CAM Công nghệ CNC mang lại sự linh hoạt cho doanh nghiệp, giúp họ nhanh chóng thích ứng với các thay đổi về mẫu mã và chủng loại sản phẩm từ khách hàng.
Máy CNC ngày càng được ưa chuộng trong gia công cơ khí nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bật, đặc biệt là khả năng gia công các chi tiết phức tạp mà máy công cụ truyền thống khó có thể thực hiện Hệ thống điều khiển CNC cho phép kiểm soát chính xác chuyển động, nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.
Máy CNC sử dụng động cơ servo làm cơ cấu chấp hành, được điều khiển thông qua chương trình gia công (part program) Người dùng có thể lập trình các dạng chuyển động như nhanh hay ăn dao, thẳng hay cung tròn, cũng như xác định trục hoạt động và tốc độ ăn dao.
Một lệnh CNC trong bộ điều khiển sẽ điều khiển mô tơ quay đúng số vòng cần thiết, kéo theo trục vitme bi quay tương ứng Vitme bi sẽ chuyển động thẳng của bàn máy hoặc dao, trong khi thiết bị phản hồi ở đầu kia giúp kiểm soát việc hoàn thành lệnh khi số vòng quay đã đạt yêu cầu Hệ tọa độ đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Hệ trục tọa độ phổ biến nhất là hệ tọa độ vuông góc (Đề các) và hệ tọa độ cực (polar) Khác với đồ thị trong toán học, máy CNC sử dụng các giá trị tọa độ thực tế không liên tục mà thay đổi theo từng bước (increment), được gọi là độ phân giải Ngoài ra, trong quá trình hoạt động, máy CNC có hai loại chuyển động chính: chuyển động tuyệt đối (absolute) và chuyển động gia tăng (incremental).
Phần mềm CATIA trong thiết kế chi tiết và khuôn mẫu
Hiện nay, trên thế giới có hàng trăm loại phần mềm CAD/CAM, mỗi loại được phát triển dành riêng cho các lĩnh vực nghiên cứu và ngành nghề khác nhau Các nhà thiết kế thường đầu tư vào những phần mềm này để nâng cao tính khả thi và hiệu quả cho từng loại sản phẩm.
Phần mềm CATIA là một hệ thống CAD/CAM/CAE 3D toàn diện và mạnh mẽ, giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế mô hình CAD một cách hiệu quả.
Phần mềm CATIA tích hợp các công nghệ tiên tiến như CAD (Thiết kế hỗ trợ máy tính), CAM (Sản xuất hỗ trợ máy tính) và CAE (Kỹ thuật hỗ trợ máy tính), cho phép phân tích, tối ưu hóa và sản xuất hiệu quả Dưới đây là một số ứng dụng nổi bật của CATIA trong ngành công nghiệp.
Ứng dụng của CATIA trong công nghiệp ô tô
Hiện nay, nhiều hãng ô tô hàng đầu thế giới như Ford, Toyota, Honda, Hyundai và BMW đã chọn phần mềm CATIA để thiết kế và tính toán mô hình xe Với khả năng mô hình hóa chi tiết phức tạp như khung và vỏ xe, cùng với việc lập quy trình công nghệ chế tạo, CATIA giúp các doanh nghiệp sản xuất ô tô thay đổi kiểu dáng xe linh hoạt, đáp ứng nhu cầu thị trường Do đó, CATIA trở thành công cụ thiết yếu trong ngành công nghiệp ô tô.
Ứng dụng của CATIA trong cơ khí
Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của phần mềm 3D, đặc biệt là CATIA, đã chuyển toàn bộ quy trình thiết kế máy tính sang môi trường số Điều này giúp giảm thời gian thiết kế, tạo ra máy móc với công nghệ cao và đảm bảo nguyên lý hoạt động hiệu quả Các thông số hình học của máy được tối ưu hóa để đáp ứng yêu cầu về độ bền, đồng thời giảm thiểu khối lượng và kích thước không gian của máy.
Ứng dụng của CATIA trong công nghiệp hàng không
Hiện nay, nhiều hãng sản xuất máy bay hàng đầu như Airbus và Boeing đã lựa chọn phần mềm CATIA để tính toán và thiết kế mô hình máy bay CATIA hỗ trợ người dùng hiệu quả trong việc xử lý các chi tiết lớn và phức tạp Sau khi thiết kế, các chi tiết sẽ được kiểm nghiệm để đảm bảo độ bền trước khi đưa vào sản xuất thực tế.
Ngoài ra, phần mềm CATIA còn được ứng dụng rất mạnh trong các lĩnh vực khác như: công nghiệp tàu thuỷ hay trong công nghiệp quốc phòng.
2.3.1 Cấu Trúc Phần Mềm CATIA
Phần mềm CATIA được thiết kế với cấu trúc phân chia thành nhiều Module, mỗi Module đảm nhiệm các chức năng khác nhau như thiết kế, phân tích, lắp ráp, chế tạo và mô phỏng, cùng với khả năng xuất bản vẽ.
Sơ đồ hệ thống CATIA CAD/CAM/CAE
Sơ đồ 2.6: Sơ đồ hệ thống CATIA i) Mechanical Design
CATIA là phần mềm chuyên về thiết kế sản phẩm, bao gồm nhiều module với chức năng đa dạng Dưới đây là một số module cơ bản cùng với các chức năng của chúng.
- Part Design: Module thiết kế Solid, tạo các chi tiết khối rắn Solid.
- Wireframe & Surface Design: Module thiết kế khung dây và các bề mặt Surface phức tạp.
- Drafting: Module tạo các bản vẽ 2 chiều một cách tự động với cơ sở là các bản vẽ 3D.
- Assembly Design: Module lắp ráp các chi tiết thành một cụm sản phẩm hay một sản phẩm hoàn chỉnh
- DMU Kinematics: Module mô phỏng chuyển động động học của cụm chi tiết hoặc của sản phẩm cần chế tạo sau khi lắp ráp.
Sau khi hoàn thành thiết kế sản phẩm, sản phẩm sẽ được xử lý tiếp theo tùy theo mục đích sử dụng hoặc nhập vào các Module hỗ trợ thiết kế khuôn tự động (Mold Design) để tạo ra một bộ khuôn hoàn chỉnh.
- Core & Cavity Design: Module tạo các bề mặt hốc, lõi, lõi mặt bên của sản phẩm để chuẩn bị cho quá trình thiết kế khuôn.
Thiết kế khuôn tự động là một module giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế khuôn bằng cách cung cấp nhiều chi tiết tiêu chuẩn và công cụ hữu ích, từ đó làm cho quá trình này trở nên nhanh chóng, hiệu quả và trực quan hơn.
CATIA không chỉ cung cấp các Module thiết kế cơ bản mà còn bao gồm nhiều Module chuyên dụng khác nhau như Module hỗ trợ tạo mẫu nhanh, Module cho các chi tiết tiêu chuẩn, Module thiết kế hệ thống thuỷ lực, và Module hỗ trợ cho các máy đo tọa độ hiện đại Bên cạnh đó, CATIA cũng mạnh mẽ trong việc phân tích và mô phỏng, giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế và nâng cao hiệu suất sản phẩm.
Phân tích phần tử hữu hạn (FEM) là công cụ quan trọng để đánh giá ứng suất, biến dạng, tần số, nhiệt và độ ổn định của các chi tiết máy và toàn bộ kết cấu máy Công cụ này bao gồm ba module chính, giúp người dùng thực hiện các phân tích chi tiết và chính xác cho các thiết kế cơ khí phức tạp.
- Advanced Meshing Tools: Module tạo và hiệu chỉnh việc chia lưới phần tử hữu hạn, tối ưu hoá việc chia lưới khi phân tích phần tử hữu hạn.
Phân tích cấu trúc sinh ra là một module mạnh mẽ cho phép người dùng tạo ra các ràng buộc và thuộc tính cần thiết, thiết lập lực tác động và thực hiện phân tích phần tử hữu hạn (FEM) Module này không chỉ hỗ trợ quá trình phân tích mà còn cung cấp các kết quả phân tích chi tiết, giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo tính khả thi của các cấu trúc.
Là phần sau khi thiết kế Design và phân tích phần tử hữu hạn, các chi tiết
Module này tích hợp công nghệ 3D để tạo ra các chu trình gia công CNC, cho phép xuất mã gia công (NC Code) ra file và chuyển giao cho bộ nhớ máy CNC Nó bao gồm các Module hỗ trợ cho quy trình gia công như tiện, phay và tạo mẫu nhanh trên các máy CNC từ 2 trục trở lên.
- Lathe Machining: Tạo các bước gia công tiện CNC.
- Prismatic Machining: Tạo các bước gia công phay hốc phẳng Milling 2 trục và 3 trục.
- Surface Machining: Tạo các bước gia công thô, bán tinh, tinh bề mặt Surface phức tạp trên máy CNC 3 trục.
- Advanced Machining: Tạo các bước gia công thô, bán tinh, tinh bề mặt Surface phức tạp trên các máy nhiều trục.
Cuối cùng, quá trình xuất mã gia công NC Code, bao gồm định dạng G-Code và các loại mã phổ biến khác, sẽ được thực hiện bằng cách lưu trữ chúng vào các file text trên máy tính Những file này sau đó sẽ được chuyển vào bộ nhớ của máy CNC để tiến hành gia công.
2.3.2 Sử dụng phần mềm Catia để lập trình và mô phỏng gia công i) Vào Module Gia Công Và Các Thiết Lập Ban Đầu
B1: Vào môi trường Module gia công.
