DESIGN AND MANUFATURE HOT RUNNER MOULD OF PETRI DISH
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO KHUÔN CHÉN XÉT NGHIỆM Y TẾ SỬ DỤNG KÊNH
DẪN NÓNG
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 TP.HCM, Việt Nam
a
[email protected]
b
[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 phảm 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 chí 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 đó chính là chén xét nghiệm có
độ dày trung bình khoảng 0.95mm.vì chén có độ dày khá mỏng nên sẽ ảnh hưởng rất lớn đến
chất lượng sản phẩm. Khi đó điều đầu tiên phải làm là phân tích và đánh giá yêu cầu kỹ thuật

toàn trong quá trình ép và máy ép thì khi tính toán luôn lấy lực kẹp tối đa trên khuôn phải nhỏ
hơn hoặc bằng 80% lực kẹp lớn nhất của máy từ đó ta sẽ có công thức [3]:

Trong đó :
Fm: Lực kẹp lớn nhất của máy (Tấn)
A: Diện tích hình chiếu lớn nhất của sản phẩm lên mặt phân khuôn (cm2)
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)

n

LỰC KẸP

62.291684

350

150

5.5

GHI

thiết kế tấm chia nhựa cho cùng một sản phẩm với sơ đồ bố trí sản phẩm giống nhau nhưng
hình dáng và biên dạng rãnh đặt điện trở khác nhau thì sẽ cho sự phân bố nhiệt độ là hoàn
toàn khác nhau.


Hình 2. Sự phân bố nhiệt của 2 tấm chia nhựa có kết cấu khác nhau
Tuy nhiên, đối với khuôn chén xét nghiệm có 4 lòng khuôn, thì việc bố trí các chén xét
nghiệm trên khuôn để đạt được sự cân bằng về mặt hình học là công việc khá đơn giản với
các dạng sơ đồ như hình bên dưới:

Hình 3. Các Sơ đồ bố trí chén xét nghiệm trên khuôn.
Bố trí dạng hình chữ H (Error! Reference source not found..b): Thời gian điền đầy
lòng khuôn tương đương với kiểu bố trí lòng khuôn dạng hình chữ X. Tuy nhiên, việc thiết kế
kết cấu khuôn sẽ đơn giản hơn, dễ dàng gia công và thuận lợi hơn khi bố trí dây điện trên tấm
chia nhựa. Do đó chén xét nghiệm sẽ được bố trí theo sơ đồ hình chữ H, khi đó ta có thể thiết
kế hình dáng của tấm chia nhựa có dạng như sau :


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.


0.4

0.3

1.5

1.9

0.2


khuyên (Error! Reference source not found..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 (Error! Reference source not found..c).

Hình 5. Các loại đầu phun theo phương pháp gia nhiệt
Trong 3 loại trên thì loại đầu phun gia nhiệt bên ngoài được sử dụng phổ biến nhất trong hệ
thống HR bởi vì sự vượt trôi hơn về các ưu điểm. Ngoài ra các nhược điểm có thể khắc phục
được dễ dàng hơn trong quá trình tính toán thiết kế.
Phân loại đầu phun nhựa theo phương pháp đóng mở miệng phun:
- Miệng phun dạng mở: Loại miệng phun này luôn hở để nhựa chảy trực tiếp vào
lòng khuôn và tại cuối chu kỳ ép phun, nhựa sẽ hơi đông lại đủ để đóng miệng phun


khi đó sẽ ngăn nhựa chảy khỏi đầu phun khi khuôn mở ra để đẩy sản phẩm ra ngoài
khuô (Error! Reference source not found..a)
- Miệng phun dạng van ngắt: Là miệng phun được đóng mở thông qua hành trình
tịnh tiến lên xuống của ty ngắt, được điều khiển bởi hệ thống thuỷ lực hoặc khí nén
(Error! Reference source not found..b)
- Miệng phun đóng mở bằng nhiệt: Là điều khiển nhiệt độ tại miệng phun để cho
phép nhựa chảy dẻo điền đầy lòng khuôn tùy thuộc vào các giai đoạn khác nhau trong
quá trình ép. Hoạt động của loại này dựa trên việc cấp điện để gia nhiệt cho thanh gia
nhiệt được đặt phía trong miệng phun (Error! Reference source not found..c)

Hình 6. Các loại đầu phun theo kiểu miệng phun
Trong 3 loại trên thì dạng van ngắt được sử dụng rộng rãi cho các chi tiết yêu cầu về
chất lượng bề mặt cao. Dựa trên các thông tin trên, trong bộ khuôn chén xét nghiệm y tế sẽ
thiết kế đầu phun dạng gia nhiệt ngoài và sử dụng miệng phun dạng van ngắt. Error!
Reference source not found. là kết cấu của đầu phun được sử dụng trong khuôn:

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. Chính vì thế trong phần này 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 2 giai đoạn:
-

Giai đoạn 1: Năng lượng cần thiết để khởi động hệ thống đạt đến nhiệt độ mong
muốn trong khoảng thời gian xác định
Giai đoạn 2: Năng lượng cần thiết để duy trì nhiệt độ thiết lập cho tấm chia nhựa
khi nhiệt bị mất mát do sự truyền nhiệt từ tấm chia nhựa đến các tấm khuôn trong
quá trình sản xuất.

Sau khi tính xong 2 giai đoạn thì ta sẽ chọn công suất gia nhiệt nào lớn hơn để dựa trên
đó mà lựa chọn điện trở có công suất gần giá trị đó. Thông thường thì công suất gia nhiệt cần
thiết cho giai đoạn 1 luôn lớn hơn giai đoạn 2. Sau đây ta bắt đầu tính toán cho từng giai đoạn.
Giai đoạn 1:
Năng lượng gia nhiệt được chia làm 2 phần và dựa trên công thức trong tài liệu [1]:
 Năng lượng cần thiết để gia nhiệt tấm chia nhựa:
P 1=

(kw)

Trong đó :
M1: Khối lượng tấm chia nhựa (kg)
Cp: Nhiệt dung riêng của vật liệu làm tấm chia nhựa ( j/kg0c)



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)
Cuối cùng, điều cần thiết là xác định năng lượng cần thiết trong lúc khởi động và trong
lúc sản xuất, từ đó ta 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. Công thức tính dựa trên tài liệu [1].
Năng lượng để khởi động :
PKĐ =( P1+ P2+3/4P3) x 1.15 = 1.121 (kw)
Năng lượng để duy trì hoạt động:
PDT = P3 x 1.15 = 0.6579(kw)
Ta so sánh 2 giá trị P ở công thức (4) và (5), lấy giá trị P lớn hơn. Vậy dựa trên các dữ liệu
trên có thể lựa chọn thông số điện trở như sau: CRX D6X6 L700 W1200 V230


3.2

Sự mất mát nhiệt trên đầu phun

Cách thức tính công suất nhiệt cho đầu phun cũng tương tự như tính công suất gia nhiệt
của tấm chia nhựa do đó công suất gia nhiệt cần thiết cũng sẽ được tính cho 2 giai đoạn:
-

Giai đoạn 1: Năng lượng cần thiết để khởi động hệ thống đạt đến nhiệt độ mong
muốn trong khoảng thời gian xác định


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 2 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 thì ta chọn đện trở do nhà cung cấp Roxfil như các tên gọi
là: 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 đó là phải chế tạo gia công các
chi tiết trong khuôn. Trước khi tiến hành hành gia công thì điều quan trọng nhất là phải xây
dựng quy trình công nghệ gia công các chi tiết. Dưới đây là quy trình chế tạo mộ bộ khuôn từ
khi có bản vẽ đến khi lắp ráp.
Quy trình chế tạo tấm chia nhựa:

Hình 9. Quy trình chế tạo tấm tấm chia nhựa


Quy trình chế tạo bạc ghép tấm chia nhựa :

Hình 10. Quy trình chế tạo bạc ghép tấm chia nhựa.
Quy trình chế tạo thân đầu phun:

Hình 11. Quy trình chế tạo thân đầu phun
Quy trình chế tạo ty ngắt:

Hình 12. Quy trình chế tạo ty ngắt

đầu phun để đảm bảo khuôn hoạt động ổn định và không gây ra các rò rĩ nhựa trong quá trình
ép. Kết quả sau khi khi thử khuôn đã cho thấy chất lượng sản phẩm đều 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, 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