Công nghệ cốt lõi

Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo khuôn ép nhựa sử dụng kênh dẫn nóng để nâng cao chất lượng sản phẩm. Chủ nhiệm: TS. Trịnh Văn Long Đơn vị: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội (HaUI) ** Báo cáo đề tài/đề án khoa học và công nghệ cấp trường năm 2023

Khi phần nhựa dư cũng là bài toán thiết kế

Trong ép phun, nhựa nóng chảy đi từ vòi phun qua hệ thống dẫn rồi mới vào lòng khuôn. Với kênh dẫn nguội, phần nhựa nằm trong đường dẫn có thể đông lại sau mỗi chu kỳ và trở thành cuống/rãnh dẫn cần tách bỏ. Kết cấu kênh dẫn nóng giữ đường dẫn ở trạng thái gia nhiệt để nhựa tiếp tục chảy đến cửa phun. Cách tiếp cận này mở ra khả năng giảm phần vật liệu nằm ngoài sản phẩm và kiểm soát quá trình cấp nhựa, nhưng đòi hỏi thiết kế, cân bằng nhiệt, điều khiển và chế tạo khuôn chính xác.

Đề tài của Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội tập trung vào chính khoảng cách đó: làm chủ quy trình thiết kế và chế tạo trong nước, đồng thời xây dựng một mô hình khuôn có hệ thống gia nhiệt và điều khiển nhiệt độ để phục vụ nghiên cứu, thử nghiệm và đào tạo. Đầu ra trung tâm là mô hình/bộ khuôn ép nhựa kênh dẫn nóng, đi kèm bản vẽ kỹ thuật, quy trình thiết kế - chế tạo - lắp ráp và các nội dung thực hành CAD/CAM/CAE, CNC.

Một quy trình nối thiết kế, mô phỏng và chế tạo

Nhóm nghiên cứu xây dựng thiết kế khuôn và hệ thống kênh dẫn nóng, bố trí các kênh làm mát, lựa chọn thiết bị gia nhiệt và cảm biến, rồi kết nối với bộ điều khiển nhiệt. Báo cáo trình bày mô hình CAD, bản vẽ lắp, các chi tiết khuôn và quy trình gia công. Mô phỏng quá trình điền đầy và phân bố nhiệt được sử dụng để xem trước điều kiện làm việc, hỗ trợ lựa chọn cấu hình và thông số trước khi chế tạo.

Thiết kế mô phỏng, khuôn ép nhựa kênh dẫn nóng

Ở phần khảo sát thông số, báo cáo dùng Moldflow Insight và thiết kế Taguchi với mảng trực giao L27 để xem xét bảy yếu tố: nhiệt độ nhựa nóng chảy, thời gian phun, áp suất phun, áp suất giữ, nhiệt độ nước làm mát, thời gian làm mát và lưu lượng nước. Mục tiêu tối ưu là giảm cong vênh và co ngót. Đây là kết quả của mô phỏng/thiết kế thí nghiệm số, không phải phép đo đối chứng giữa dây chuyền sản xuất dùng kênh nóng và kênh nguội.

Hai chỉ số mô phỏng cho thấy hướng tối ưu

Theo Bảng 3.12 của báo cáo, giá trị cong vênh nhỏ nhất trong 27 lần chạy được ghi là 0,4296 mm; với tổ hợp thông số tối ưu, mô phỏng cho 0,3583 mm, tương ứng giảm 16,6%. Với co ngót, giá trị nhỏ nhất trước tối ưu là 6,830%; kết quả tối ưu là 6,663%, giảm 2,45% theo cách tính trong báo cáo. Đây là các mức cải thiện giữa kết quả mô phỏng được báo cáo, không nên diễn giải thành hiệu suất sản xuất thực tế hay mức giảm phế liệu.

Bảng mô tả kết quả cong vênh, co ngót, sau tối ưu hóa

Phân tích ANOVA trong báo cáo cho thấy nhiệt độ nóng chảy có ảnh hưởng lớn nhất đến cong vênh (đóng góp 66,67%) và co ngót (74,62%) trong bộ điều kiện mô phỏng đã khảo sát. Với cong vênh, nhiệt độ đầu vào nước làm mát là yếu tố tiếp theo được nêu (15,59%); với co ngót, áp suất giữ đứng thứ hai (19,46%). Các tỷ lệ này mô tả mô hình thí nghiệm cụ thể, không phải quy luật áp dụng cho mọi vật liệu hay mọi khuôn.

Bộ thông số tối ưu được báo cáo cho cong vênh là: nhiệt độ nóng chảy 200°C, thời gian phun 1 s, áp suất phun 75 MPa, áp suất giữ 100%, nhiệt độ nước làm mát 20°C, thời gian làm mát 20 s và lưu lượng 1,8 lít/phút. Báo cáo đồng thời có một số chỗ chưa nhất quán giữa bảng thông số, lời mô tả và cách gọi biến; cần cán bộ nghiên cứu xác nhận trước khi công bố các thiết lập như hướng dẫn vận hành.

Từ mô hình nghiên cứu đến giá trị ứng dụng

Kết luận báo cáo nêu bộ khuôn được thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh theo hợp đồng số 03-2022-RD/HĐ-ĐHCN và mô hình được chạy thử để ép sản phẩm nhựa. Tài liệu không cung cấp số chu kỳ, kích thước mẫu, phương pháp đo hay bảng so sánh định lượng với khuôn kênh nguội; vì vậy bài giới thiệu chỉ ghi nhận đây là kết quả chạy thử được báo cáo, không gắn thêm chỉ tiêu chất lượng thực nghiệm.

Giá trị trước mắt được xác định rõ nhất ở đào tạo và nghiên cứu ứng dụng. Mô hình cùng bản vẽ và quy trình có thể làm phương tiện thực hành cho các học phần thiết kế khuôn, kênh dẫn nóng, CAD/CAM/CAE, CNC, gia công và lắp ráp khuôn. Với cơ sở sản xuất, kết quả cung cấp một quy trình tham khảo trong nước về thiết kế, gia công, lắp hệ thống nhiệt và khảo sát thông số. Khả năng mở rộng sang sản phẩm thành mỏng, kích thước lớn, vật liệu tái chế hay thương mại hóa được báo cáo nêu là hướng phát triển, chưa phải kết quả đã chứng minh.

Nền tảng để tiếp tục hoàn thiện

Đề tài tạo được cầu nối từ thiết kế số đến một mô hình khuôn có thể vận hành thử, đồng thời chỉ ra vai trò nổi bật của nhiệt độ nóng chảy trong bài toán cong vênh và co ngót mô phỏng. Bước tiếp theo để đánh giá mức sẵn sàng ứng dụng công nghiệp là công bố quy trình đo trên sản phẩm thực, lặp lại kết quả tối ưu và so sánh có kiểm soát với cấu hình đối chứng. Những dữ liệu này sẽ giúp chuyển các kết quả ban đầu thành bằng chứng định lượng về chất lượng và hiệu quả vật liệu.