Thiết kế và chế tạo khuôn ép nhựa - Phân tích mô phỏng quá trình nhựa lỏng điền đầy khuôn

LOGO Nội dung: PHÂN TÍCH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH NHỰA LỎNG ĐIỀN ĐẦY KHUÔN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO KHUÔN ÉP NHỰA I. ĐỊNH NGHĨA,PHÂN TÍCH ,LỢI ÍCH CỦA CAE II. THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CỦA BÀI TOÁN PHÂN TÍCH DÒNG CHẢY III. SO SÁNH KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SO VỚI THỰC TẾ,PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN IV. GIỚI THIỆU,TỔNG QUAN VỀ KHẢ NĂNG CỦA PHẦN MỀM CAE- MOLDFLOW PLASTIC INSIGHT V. QUY TRÌNH PHÂN TÍCH ÉP PHUN CHO SẢN PHẨM NÓN BẢO HIỂM: ỨNG DỤNG VỚI NÓN BẢO HIỂM CHE CẢ ĐẦU VÀ TAI I. ĐỊNH NGHĨA,PHÂN TÍCH ,LỢI ÍCH CỦA CAE.  1. GIỚI THIỆU CAE: CAE là tên gọi tắt của kỹ thuật phân tích có sự trợ giúp của máy vi tính (Computer-Aided Engineering). Lợi dụng khả năng phân tích và tính toán chính xác, nhanh chóng của máy vi tính,để hiểu mô hình nguyên lý của hệ thống (Theoretical Model), đồng thời kết hợp chức năng đồ họa vi tính (Computer Graphics), giúp người sử dụng thu được kết quả phân tích nhanh chóng, và sử dụng kết quả để sửa đổi/tối ưu hóa tham số thiết kế và thông số ép phun CAE kết hợp đồ họa thiết kế có sự trợ giúp của máy vi tính (Computer-Aided Design/Draft, CAD) và chế tạo có sự trợ giúp máy tính (Computer-Aided Manufacture, CAM), đã trở thành một mắt xích quan trọng của chế tạo tích hợp với sự trợ giúp của máy tính (Computer- Integration Manufacture, CIM). Và cung cấp thông số quan trọng của trình tự CAD/CAM. Hình 1.1. Sản phẩm chia lưới nhanh 2. NHỮNG LỢI ÍCH CỦA ỨNG DỤNG CAE Phân tích CAE dựa vào đặc tính trình tự của hệ thống, kết hợp lý luận mô hình để tiến hành phân tích, kết quả có ý nghĩa vật lý, là Know-Why mà không phải là Know- How của kinh nghiệm truyền thống. Hình 1.2.Sản phẩm bị rỗ khí Do đó, có thể hệ thống hóa và khoa học hóa tham số ép phun và các lọai thiết kế đối với trình tự trạng thái và chất lượng sản phẩm, đạt đến mục tiêu ép phun một cách khoa học (Scientific Molding). Hình 1.3. Sản phẩm bị bavia Do tính tin cậy của kết quả CAE, có thể chỉ ra vấn đề có thể tìm ẩn trong ép phun và thiết kế, đề ra sửa đổi thiết kế và hướng giải quyết trở ngại và phương án khả thi, có thể tránh điểm mù kinh nghiệm Hình 1.4. Sản phẩm bị kẹt khí - CAE có thể chỉ ra các nhân tố chủ yếu ảnh hưởng chất lượng ép phun, từ đó cung cấp tham số sửa đổi thiết kế và tham số ép phun và chỉ tiêu định lượng. - Bằng phương pháp sinh động và cụ thể hiển thị tham số gia công và thiết kế đối với trình tự trạng thái và ảnh hưởng chất lượng sản phẩm, có thể giúp người sử dụng nhanh chóng tích lũy kinh nghiệm thiết kế và ép phun, có giúp đỡ tương đối lớn về bồi dưỡng nhân viên. 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. Hình 1.5. Bảng danh mục vật liệu - CAE cho phép người thiết kế và chế tạo khuôn rút ngắn được thời gian thiết kế cũng như chi phí trong việc sản xuất khuôn. Quy trình dưới đây so sánh các bước thực hiện: Hình 1.5. Sơ đồ các bước chế tạo khuôn mẫu cổ điển - Còn với sơ đồ có sự trợ giúp của CAE trên, việc thử khuôn được thực hiện trước khi chế tạo khuôn và việc thử chỉ tiến hành trên mô hình máy tính. Điều này giúp cho người thiết kế tiết kiệm được thời gian cũng như chi phí thử khuôn. Hình 1.6. Sơ đồ các bước chế tạo khuôn mẫu có sự trợ giúp của CAE II. THÔNG SỐ ĐẦU VÀO BÀI TOÁN PHÂN TÍCH DÒNG CHẢY CỦA QUÁ TRÌNH CAE. Chi tiết được thiết kế từ một số phần mềm và chuyển về định dạng file mà phần mềm CAE hỗ trợ. ví dụ: STL..IGS..STEP - Chọn kiểu chia lưới: +Midplane: +Fusion Dual Domain™ + 3D Solid - Nhập kích thước lưới. - Chia lưới mô hình. - Chọn loại vật liệu nhựa và vật liệu làm khuôn (chọn nhà sản xuất và thương hiệu) - Chọn vị trí miệng phun ( set injection locations ). - Chọn chế độ ép phun: đây là bước rất quan trọng vì trong bước này chọn các thông số ép phun như: nhiệt độ khuôn (mold temperture), nhiệt độ nhựa (melt temperture). + Chọn chức năng phân tích.  KẾT QUẢ ĐẦU RA CỦA BÀI TOÁN CAE - Phân tích dòng chảy có thể dự đoán: vị trí tiếp giáp 2 dòng chảy, vị trí có bọt khí, áp suất ép phun, lực khóa khuôn, phân bố nhiệt độ - Phân tích giai đoạn nén, có thể dự đoán co rút thể tích, phân bố nhiệt độ, phân bố độ dày..trợ giúp để tránh các vấn đề về quá áp avf co rút thể tích không đều - Phân tích quá trình làm lạnh có thể dự đoán các vấn đề như thời gian làm lạnh, sự chênh lệch nhiệt độ bề mặt khuôn, phân bố lượng truyền nhiệt, hiệu quả của hệ thống làm mát. - Phân tích cong vênh có thể dự đoán sản phẩm sau khi tách khỏi khuôn sẽ xuất hiện biến dạng cong vênh và giúp người sử dụng tìm ra nguyên nhân cong vênh để ngăn chặn xảy ra cong vênh. sản phẩn bị cong vênh + Lớp nhựa trên và lớp nhựa dưới nguội khác nhau gây cong vênh - Tính toán tốc độ đóng rắn của nhựa nhiệt rắn, tính toán điền đầy nhựa và phân tích đóng rắn trong khuôn, vị trí tiếp giáp, phân bố độ chuyển hóa, phân bố tốc độ dòng chảy, áp suất chuyển dời. - Mô phỏng tình hình ép phun có trợ khí của thể khí/nhựa, tốc độ thẩm thấu của khí,độ dày bề mặt, dòng chảy nhựa, đồng thời có thể dự đoán việc làm lạnh và biến dạng. - Xử lí cấu trúc lưới với số nút mạng lớn biến một vật thể có kết cấu phức tạp thành những nút mạng đơn giản, không chỉ ứng dụng tốt trong phần mềm tính toán phân tích dòng chảy mà còn phân tích được nhiệt độ và phân tích ứng suất. III. SO SÁNH KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SO VỚI THỰC TẾ, PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN  Giữa kết quả phân tích trên phần mềm CAE và kết quả ép sản phẩm thực tế thường có những sai số nguyên nhân có thể là do: - Do chia lưới quá lớn, hay cách chia lưới chưa hợp lý. - Các thông số ép thực tế với các thông số nhập trong phần mềm không khớp nhau . - Vật liệu và tính chất của vật liệu trong phần mềm không giống với thực tế. ( do khác nhà sản xuất,khác thương hiệu, thành phần hóa học khác nhau). Pressure Vs Material Viscosity PP 50 100 150 200 250 300 350 0 2 4 6 Injection Time [Sec.] Pr es su re [M Pa ] High Viscosity Low Viscosity IV. GIỚI THIỆU,TỔNG QUAN VỀ KHẢ NĂNG CỦA PHẦN MỀM CAE- MOLDFLOW PLASTIC INSIGHT 1. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ NÓN BẢO HIỂM: Trên thị trường Việt Nam hiện nay có 2 dạng mũ bảo hiểm thông dụng là: Nón che cả đầu và tai Nón nửa đầu . Hiện tại chất lượng nón bảo hiểm rất khó kiểm soát 2. TIÊU CHUẨN VIỆT NAM TCVN 5756-2001 CHO MŨ BẢO HIỂM KHI THỬ ĐỘ BỀN VA ĐẬP VÀ HẤP THỤ XUNG ĐỘNG - Khối lượng mũ: Đối với mũ che cả hàm ≤ 1.5kg Đối với mũ cha cả đầu và tai, mũ che nửa đầu: <1kg - Mũ phải chịu được va đập và hấp thụ xung động khi thử nghiệm cho va đập. Sau k hi thử mũ không được nứt, vỡ và gia tốc dội lại khi bị va đập không được vượt quá: Gia tốc tức thời: 300g( 2942 m/s2_ Gia tốc dư sau 3ms: 200g(1961 m/s2) Với g = 9,80665 m/s2 3. QUY TRÌNH PHÂN TÍCH ÉP PHUN CHO SẢN PHẨM NÓN BẢO HIỂM: ( ỨNG DỤNG VỚI NÓN BẢO HIỂM CHE CẢ ĐẦU VÀ TAI) + Sau khi thiết kế mô phỏng được trên CAD, nhập mô hình CAD vào và phân tích kết quả. - Chọn vị trí đặt miệng phun. Theo kinh nghiệm, chọn vị trí là đỉnh nón, và tiến hành chia lưới. Tiến hành sữa lỗi mô hình cho đến khi nào mô hình tốt hơn thì công việc sữa lỗi hoàn thành.  PHÂN TÍCH KẾT QUẢ: -Thời gian điền đầy (fill time): +Định Nghĩa:Là khoảng thời gian (giây) đủ để sản phẩm được đầy hết toàn bộ sản phẩm. Nhận xét: Chọn vị trí đặt miệng phun: chọn vị trí là đỉnh nón, và tiến hành phân tích. Sau khi phân tích CAE ta được kết quả với thời gian để điền đầy sản phẩm là vào khoảng 1.063S - Lỗ khí: + Các lỗ khí xảy ra khi các dòng chảy của nhựa cùng bao quanh các bọt khí.Khuyết tật lỗ khí khiến cho nhựa không thể điền đầy một cách hoàn toàn và làm xấu bề mặt sản phẩm. Nhận xét: với kết quả phân tích trên, có thể dự đoán nguyên nhân chính xảy ra lỗ khí là sự không cân bằng dòng chảy vì sản phẩm của chúng ta ở đây có bề dày không đều nhau. - Áp suất phun tại miệng: Nhận xét: Áp suất phun tại miệng phun đạt giá trị lớn nhất tại miệng phun và có giá trị vào khoảng 35Mpa - Lực khóa khuôn -Phân bố vật liệu trong quá trình phun ép: Nhận xét: Dựa vào kết quả phân tích trên ta có thể dễ dàng nhận thấy sự phân bố vật liệu trong suốt quá trình phun ép là không đồng đều.Nơi tập trung nhiều nhất là ở miệng phun Là vào khoảng 10.56 (g/cm*3) Nơi tập trung ít nhất chủ yếu cuối sản phẩm cách xa cuống phun và cào khoảng 9.444 (g/cm*) - Phân bố áp suất cuối quá trình phun: Nhận xét: Dựa vào kết quả phân tích về sự phân bố áp suất cuối quá trình phun ép của CAE ta có thể kết luận áp suất đạt giá trị lớn nhất tại miệng phun đạt giá trị 0.9884Mpa Áp suất đạt giá trị nhỏ nhất cuối sản phẩm đạt giá trị 0.945MPa - Phần trăm độ co rút vị trí tại miệng phun: Nhận xét: phần trăm co rút tại vị trí miệng phun là vào khoảng 91.98% =>ta thấy với kết quả phân tích này thì mức độ co rút tại miệng phun là khá lớn. Thông số Nón che cả đầu và tai Fill time (s) 1,063 Air trap vị trí ở vành nón Clamp force (tấn) 7000 Bulk of temparature at end of fill ( 0C) 270,2 Pressure (Mpa) 0,9884 Độ co rút (%) 91,98 Các kết quả trong bảng sau: b. Có kênh dẫn -Thời gian điền đầy (fill time): Nhận xét: Khi có thêm kênh dẫn thì thời gian phun ép tăng lên 4.873s, nguyên nhân là do nhựa phải chạy qua kênh dẫn có tiết diện nhỏ rồi mới vào lòng khuôn. - Áp suất phun tại miệng phun: Nhận xét: Qúa trình tăng áp không nhanh như khi không có kênh dẫn, áp suất tăng từ từ vì khi có kênh dẫn áp suất dòng chảy sẽ ổn định hơn. Gía trị áp suất cao nhất nhỏ hơn so với khi không có kênh dẫn. - Lực khóa khuôn: Nhận xét - Lực kẹp nhỏ hơn khi không có kênh dẫn vì áp suất trong lòng khuôn nhỏ hơn khi không có kênh dẫn nhựa. - Phân bố vật liệu trong quá trình phun ép: Nhận xét: Khi có kênh dẫn thì mật độ vật liệu phân bố đều hơn mặc dù vậy ở vành nóng vật liệu vẫn còn bị thiếu hụt, sẽ ảnh hưởng đến độ bền va đập ở vị trí vành nón. - Phần trăm độ co rút vị trí tại miệng phun: - Vận tốc dòng chảy: Thông số Nón che cả đầu và tai Fill time (s) 4.873s Air trap vị trí ở vành nón Clamp force (tấn) 50 Bulk of temparature at end of fill ( 0C) 167.25 Pressure (Mpa) 0,6875 Độ co rút (%) 60.27 c. Có hệ thống làm nguội ( cool ) : - Thiết kế hệ thống làm nguội như trên hình. Sau khi chạy mô phỏng ta được các kết quả sau: Fill time: Nhận xét: - Sau khi được thiết kế thêm hệ thống làm nguội thì thời gian điền đầy sản phẩm tăng lên, thời gian để sản phẩm được điền đầy hoàn toàn là: 9,411s - Áp suất cuối quá trình phun: nhận xét: - Khi có hệ thống làm nguội quá trình giữ áp được kéo dài hơn, nhờ đó khả năng điền đầy cao hơn. - Lực khóa khuôn: - Mật độ vật liệu: Mật độ vật liệu phân bố đồng đều hơn nhờ hệ thống làm nguội - Áp suất: Nhận xét: phân bố áp suất là tương đối đồng đều tại mọi ví trí trong suốt quá trình phun ép đều này đồng nghĩa chúng ta có thể giảm thiểu được các khuyết tật trên sản phẩm như: cong vênh do sự giảm đột ngột của áp suất, bavia do áp suất trong khuôn quá cao. - Rỗ khí: Nhận xét: Qua phân tích sau khi thêm hệ thống làm nguội sự xuất hiện rỗ khí được giảm đáng kể nhờ sự cân bằng dòng chảy trong suốt quá trình phun ép.