Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO KHUÔN CHÉN XÉT NGHIỆM Y TẾ SỬ DỤNG
KÊNH DẪN NÓNG
DESIGN AND MANUFATURE HOT RUNNER MOULD OF PETRI DISH
Nguyễn Hùng Dũng1a, Đặng Văn Nghìn2b
1
Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về Điều khiển số và Kỹ thuật hệ thống, Việt Nam
2
Viện Cơ học và Tin học Ứng dụng TPHCM, Việt Nam
a
[email protected]; [email protected]
TÓM TẮT
Trong bài báo này sẽ trình bày các phương pháp tính toán thiết kế và đưa ra các quy
trình chế tạo và lắp ráp một bộ khuôn sử dụng kênh dẫn nóng với sản phẩm là chén xét
nghiệm y tế.
Từ khóa: hệ thống kênh dẫn nóng, chén xét nghiệm y tế, bộ chia nhựa.
ABSTRACT
This paper will introduce the methods to calculate and design mould. Beside, it also
present the manufacture and asembly process of hot runner mould. The product is petri dish.
Keywords: hot runner, petri dish, manifold.
1. GIỚI THIỆU
Theo nhu cầu hiện nay, các nước đang có xu hướng phát triển các sản phẩm thành mỏng
sử dụng trong y tế với kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ để giảm chi phí nguyên vật liệu
nhựa mà vẫn đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác và mỹ quan sản phẩm. Một trong
những sản phẩm thành mỏng điển hình dùng trong y tế chính là chén xét nghiệm có độ dày
trung bình khoảng 0.95mm. Vì chén có độ dày khá mỏng nên nhiều thông số khác nhau sẽ ảnh
hưởng đến chất lượng sản phẩm. Điều đầu tiên phải làm là phân tích và đánh giá yêu cầu kỹ
thuật của sản phẩm nhằm đáp ứng được chất lượng mà vẫn đảm bảo được chi phí sản xuất là
thấp nhất trước khi quyết định chọn công nghệ, vật liệu làm sản phẩm, kiểu khuôn cũng như
máy móc thiết bị cần thiết. Sau đây là những yêu cầu kỹ thuật đối với chén xét nghiệm y tế:

P: áp suất phun trung bình trong lòng khuôn (kg/cm2)
Bảng 1. Xác định số lòng khuôn trong khuôn chén xét nghiệm
XÁC ĐỊNH DỰA TRÊN THÔNG SỐ
A (cm2)
P (kg/cm2)
FM (Tấn)
LỰC KẸP

62.291684

350

150

n
5.5

GHI CHÚ:
- Bề mặt chén xét nghiệm cần chất lượng cao do đó chọn giá trị áp suất phun theo tài liệu [2,
tr.62]
- Khuôn này được ép trên máy ép Sumitomo SG150U
Dựa trên các kết quả tính toán được ta có thể chọn 4 lòng khuôn trong khuôn chén xét
nghiệm. Khi đó, kết cấu khuôn được trình bày như hình bên dưới:

Hình 1. Kết cấu khuôn chén xét nghiệm y tế
Để đạt được sự phân bố nhiệt cân bằng trên các lòng khuôn và sự mất áp suất khi dòng
nhựa chảy dẻo từ vòi phun của máy đến các miệng phun của lòng khuôn là ít nhất thì điều
quan trọng nhất trong khuôn chén xét nghiệm sử dụng kênh dẫn nóng đó chính là việc tính
toán, thiết kế bộ chia nhựa và đầu phun nhựa.
589


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 4. Kết cấu tấm chia nhựa
Công việc tiếp theo đó là xác định đường kính kênh dẫn nhựa nóng. Thông thường, khi
thiết kế khuôn kênh dẫn nhựa nguội thì phải tính toán đường kính kênh dẫn thật chính xác dựa
trên các công thức để đảm bảo tiết kiệm nguyên vật liệu mà vẫn đảm bảo sự cản trở dòng
chảy là ít nhất nhưng riêng đối với kênh dẫn nhựa nóng do không phải tiêu hao vật liệu chính,
vì thế đường kính kênh dẫn thường thiết kế khá lớn để tạo thuận lợi cho dòng chảy. Do đó,
khi chọn đường kính kênh dẫn là lớn hay nhỏ cần phải xem xét kỹ lưỡng các yếu tố sau [4]:
- Đường kính kênh dẫn nhỏ: giảm thời gian mà nhựa chảy dẻo nằm trong kênh dẫn (đặc
biệt là cho các nhựa nhạy với nhiệt) và thay đổi màu sắc nhanh hơn.
- Đường kính kênh dẫn lớn: làm giảm sự cản trở dòng chảy trong quá trình ép đối với các
loại nhựa có độ nhớt cao hoặc tỉ số giữa chiều dài dòng chảy và trọng lượng sản phẩm quá lớn.
Cuối cùng là phải lựa chọn vật liệu để chế tạo tấm chia nhựa đáp ứng các yêu cầu trong
quá trình hoạt động như: khả năng chịu nhiệt tốt; độ bền, độ cứng và khả năng chịu va đập
trung bình vì tấm được lắp cố định và không chịu tải trọng nào đáng kể. Ngoài ra, để giảm
thiểu sự mất mát nhiệt do truyền nhiệt và đảm bảo các yêu cầu trong quá trình làm việc thì vật
liệu phù hợp nhất để chế tạo bộ chia nhựa là thép 2311 (Bảng 2).
Bảng 2. Các tính chất đặc trưng của thép 2311
THÉP 2311
Thành phần hóa học (%)

C

Si

Mn

Cr


13.2 *

0

Ưu điểm

- Khả năng gia công tuyệt vời
- Độ cứng đồng nhất
- Hàm lượng lưu huỳnh thấp
- Khả năng đánh bóng, EDM và quang hóa cao

Ghi chú:
* Là các chỉ số được đo tại nhiệt độ từ 200-3000C
591


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Kết cấu bộ đầu phun nhựa
Đầu phun nhựa sử dụng trong hệ thống kênh dẫn nóng có vai trò là đưa nhựa từ tấm
chia nhựa đến lòng khuôn. Thông thường, đầu phun nhựa được phân loại dựa trên hai cách là:
phương pháp gia nhiệt và điều khiển đóng mở miệng phun nhựa.
 Phân loại đầu phun nhựa theo phương pháp gia nhiệt:
- Gia nhiệt bên ngoài: là phương pháp đặt thiết bị gia nhiệt và cảm biến nhiệt độ ở phía
ngoài của thân đầu phun (Hình 5.b)
- Gia nhiệt bên trong: là phương pháp đặt thiết bị gia nhiệt và cảm biến nhiệt độ ở phía trong
nhựa chảy dẻo, khi đó dòng chảy trong đầu phun sẽ tạo thành hình vành khuyên (Hình 5.a)
- Gia nhiệt nhờ dẫn nhiệt: Trong thiết kế vòi phun loại này, nhiệt lượng được dẫn từ bộ chia
nhựa qua thân vòi phun dẫn nhiệt hay các thanh dẫn nhiệt đến miệng phun. Chính vì thế mà các đầu
phun loại này thường được làm bằng các vật liệu dẫn nhiệt cao như Cu-Be (Hình 5.c).

- Sự giãn nở nhiệt là ít nhất để không gây ra sự rò rỉ không cần thiết, ảnh hưởng đến
chất lượng khuôn.
Chính vì thế ở đây tác giả sẽ trình bày cách lựa chọn vật liệu cho một số chi tiết chính
trong đấu phun như:
 Thân đầu phun:
Chi tiết này tiếp xúc trực tiếp với bộ chia nhựa tạo dòng chảy nhựa liên tục từ bộ chia
nhựa qua đầu phun. Nó được làm bằng thép SKD61. Tính chất loại thép này là có độ cứng
tương đối cao, vào khoảng 50 HRC, có độ bền nhiệt cao, tính dẫn nhiệt vào khoảng 2527w/moC, khả năng chịu mài mòn, chịu tải tốt, giá thành thấp so với các loại thép có cùng tính
chất. Đế đầu phun phải được thiết kế hình học sao cho sự truyền nhiệt từ đế đầu phun qua tấm
khuôn là nhỏ nhất.
 Đầu tip:
Đây là chi tiết quan trọng của đầu phun, nó quyết định độ bền của đầu phun, dòng chảy
nhựa, khả năng đổi màu vật liệu. Đầu phun được làm bằng các loại thép có độ dẫn nhiệt tốt,
khả năng chống mài mòn trong môi trường nhiệt và áp lực lớn, khả năng chịu ma sát tốt. Vật
liệu phổ biến nhất để dùng làm đầu Tip chính là BeCu và Carbide. Đây là loại vật liệu thường
được dùng nhất để làm đầu Tip khi sản lượng ép lớn và thành phần nhựa chảy dẻo có thêm
chất gia cường. Vật liệu này có hệ số dẫn nhiệt rất lớn nên đảm bảo nhiệt truyền từ Đầu phun
qua Tip đến nhựa chảy dẻo ở đầu Tip là nhanh.
3.

TÍNH TOÁN SỰ MẤT MÁT NHIỆT TRONG KHUÔN KÊNH DẪN NÓNG

3.1. Sự mất mát nhiệt trên bộ chia nhựa
Công việc kế tiếp là cần phải tính toán được sự mất mát nhiệt để xác định được công
suất gia nhiệt cần thiết của các dây điện trở trên tấm chia nhựa. Trong phần này tác giả sẽ
trình bày các bước tính toán công suất gia nhiệt cần thiết cho khuôn chén xét nghiệm. Để đảm
bảo hệ thống HR hoạt động tốt thì công suất gia nhiệt cần thiết sẽ được tính cho hai giai đoạn:
593



M2: khối lượng nhựa chứa trong tấm chia nhựa (kg)
Cp: nhiệt dung riêng của vật liệu nhựa (j/kg0C)
T=(T1-T2): khoảng chênh lệch nhiệt độ của bộ chia nhựa từ lúc trước khi gia nhiệt cho
đến khi nhựa đạt đến nhiệt độ chảy dẻo (0C)
t: thời gian gia nhiệt là khoảng thời gian cần thiết để đạt đến nhiệt độ chảy dẻo từ nhiệt
độ ban đầu (s)
Bảng 3. Năng lượng gia nhiệt trong giai đoạn 1

Từ Bảng 3 ta có: P1= 0.544 (KW), P2= 0.00226(KW)
594


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Giai đoạn 2:
Tiếp theo, cần xác định các dạng truyền nhiệt trong khuôn để dựa trên các công thức
của từng dạng mà tính toán theo mô hình tổn thất nhiệt. Thông qua hình ta có thấy nhiệt mất
mát thông qua các dạng truyền nhiệt sau:
- Chi tiết (2) dẫn nhiệt từ chi tiết (3) sang chi tiết (1)
- Chi tiết (4) dẫn nhiệt từ chi tiết (3) sang chi tiết (5)
- Nhiệt từ chi tiết (3) đối lưu với môi trường xung quanh là không khí
- Nhiệt mất đi do các chi tiết bức xạ lẫn nhau.

Hình 8. Mô hình truyền nhiệt của tấm chia nhựa trong khuôn
Dựa trên các công thức trong tài liệu [1] ta có thể tính được công suất mất mát do truyền
nhiệt như bảng sau:
Bảng 4. Kết quả tính toán truyền nhiệt trên tấm chia nhựa khuôn chén xét nghiệm

Vậy ta có kết quả: P3= dẫn nhiệt + đối lưu = 0.675 (kw)

595

- Chi tiết đai ốc (open nut) dẫn nhiệt sang phần insert âm.
- Nhiệt thân đầu phun đối lưu với môi trường xung quanh là không khí.
- Nhiệt mất đi do các chi tiết bức xạ lẫn nhau.
Tương tự trong phần tính công suất gia nhiệt của tấm chia nhựa, do đó trong phần này
chỉ đưa ra kết quả tính toán như sau:

596


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bảng 6. Kết quả tính toán truyền nhiệt trên đầu phun

Vậy ta có: P3 = dẫn nhiệt + đối lưu = 0.0817 (kw)
Cuối cùng, điều cần thiết là xác định năng lượng cần thiết trong lúc khởi động và trong
lúc sản xuất, từ đó xác định loại điện trở phù hợp cho hệ thống. Để an toàn và bù trừ cho năng
lượng mất đi do truyền nhiệt bức xạ, ta tăng thêm 15% công suất so với công suất tính toán.
Năng lượng để khởi động:
PKĐ =(P1+ P2+3/4P3) x 1.15 = 0.0924(kw)
Năng lượng để duy trì hoạt động:
PDT = P3 x 1.15 = 0.0939(kw)
Ta so sánh hai giá trị P ở công thức (4) và (5), lấy giá trị P lớn hơn. Dựa trên các số liệu
tính toán công suất và loại điện trở, ta chọn điện trở của nhà cung cấp Roxfil với các tên gọi:
RLX D1.8X32 L500 W400 V230.
4.

QUY TRÌNH CHẾ TẠO VÀ LẮP RÁP BỘ KHUÔN CHÉN XÉT NGHIỆM
Quy trình chế tạo khuôn chén xét nghiệm

Sau khi thiết kế và mô phỏng bộ khuôn, bước tiếp theo là chế tạo gia công các chi tiết
trong khuôn. Trước khi tiến hành gia công thì điều quan trọng nhất là phải xây dựng quy trình

Tấm kẹp âm

Lắp bạc dẫn hướng

Lắp đinh dẫn hướng

Lắp insert dương 1

Lắp insert dương 2

Lắp bạc ghép lói

Quy trình lắp ráp bên âm:
`

Lắp bạc dẫn
hướng

CỤM 1

1
Lắp insert âm

3

Tấm âm

Lắp locator

Lắp nắp chụp

phun

Lắp dây điện trở
gia nhiệt và cảm
biến nhiệt độ
1

Lắp bạc ghép 3
tấm chia nhựa
Lắp spacer và
đai ốc
4

7

Lắp xy lanh

Tấm chia
nhựa
5

3

Lắp vòng sứ
cách nhiệt

Lắp dây điện
4 trở gia nhiệt

5

Lắp thanh câu
khuôn

599


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Các hình ảnh sau khi chế tạo bộ khuôn

Hình 14. (a) Cụm khuôn bên dương, (b) Cụm khuôn bên âm

Hình 15. Bộ khuôn chén xét nghiệm y tế
5. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, chúng tôi đã giới thiệu phương pháp tinh toán thiết kế, chế tạo và lắp
ráp bộ khuôn chén xét nghiệm y tế sử dụng kênh dẫn nóng. Cụ thể là trong phần thiết kế chủ
yếu trình bày các phương pháp tính toán công suất gia nhiệt, kết cấu tấm chia nhựa và đầu
phun kiểu van ngắt để hạn chế sự mất mát nhiệt, áp suất và đảm bảo sự cân bằng nhiệt trên
tấm chia nhựa luôn đạt trạng thái ổn định. Đối với phần chế tạo, tác giả cũng trình bày các
quy trình công nghệ cho các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao như tấm chia nhựa, van ngắt,
thân đầu phun, để đảm bảo khuôn hoạt động ổn định và không gây ra các rò rỉ nhựa trong quá
trình ép. Kết quả thử khuôn đã cho thấy chất lượng sản phẩm đáp ứng rất tốt về độ chính xác
trọng lượng, kích thước và mỹ quan sản phẩm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Trần Cao Minh “Thiết kế hệ thống gia nhiệt và đầu phun cho kênh nhựa nóng trong
khuôn ép nắp Jazz-Comfort”, Luận văn thạc sĩ của Trường ĐHBK TPHCM,2006.
[2]. Nguyễn Hữu Niếu và cộng sự, Kỹ thuật viên ngành nhựa, NXB Mũi Cà Mau, 2005
[3]. Jay Shoemaker, Moldflow Design Guide, Hanser, 2006.
[4]. D. Frenkler and H. Zawistowski - English translation by R. Walkden, Hot Runners in
Injection Moulds, Rapra Technology Limited, 2001.