Tài liệu: Khảo sát sự ảnh hưởng thành phần tpu đến độ khuếch đại tuyến

Chuyên đề Khảo sát sự ảnh hưởng thành phần tpu đến độ khuếch đại tuyến tính giữa đầu vào v, tiếp cận liên ngành, kết quả nghiên cứu có giá trị ứng

• Tác giả: Lê Duy Tiến
• Người hướng dẫn: ThS. Đoàn Tất Linh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Khảo Sát Sự Ảnh Hưởng Thành Phần TPU Đến Độ Khuếch Đại Tuyến Tính Giữa Đầu Vào Và Đầu Ra
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Chất liệu TPU và Ứng dụng trong Công nghiệp

TPU (Thermoplastic Polyurethane) là một chất liệu polymer đặc biệt có tính chất đàn hồi cao, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp hiện đại. Chất liệu này sở hữu khả năng chịu lực tuyệt vời, có độ bền cao và có thể tái sử dụng được thông qua quy trình ép phun. Trong ngành công nghệ chế tạo máy, TPU được sử dụng để tạo ra các khớp mềm và các cơ cấu linh hoạt. Các đặc tính vật lý của TPU như độ cứng, độ đàn hồi và khả năng chịu biến dạng làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Nghiên cứu sự ảnh hưởng thành phần TPU đến các tính chất cơ học của sản phẩm là một vấn đề quan trọng trong tối ưu hóa thiết kế công nghiệp.

1.1. Đặc điểm Vật Lý của Chất liệu TPU

TPU là một elastomer polyurethane thermoplastic, có tính chất kết hợp giữa cao su và nhựa. Chất liệu này có độ bền kéo cao (500-650 MPa), độ dãn tối đa từ 300-600% và độ cứng Shore A từ 60-90. Nhờ những đặc tính này, TPU được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu khả năng chịu biến dạng lớn mà vẫn duy trì tính nguyên vẹn cấu trúc.

1.2. Ứng dụng TPU trong Cơ cấu Bridge Type

Cơ cấu Bridge-Type là một thiết kế cơ cấu mềm sử dụng TPU để tạo ra các khớp nối linh hoạt. Cấu trúc này cho phép độ khuếch đại tuyến tính cao giữa đầu vào và đầu ra, được ứng dụng trong các hệ thống đo lường, cảm biến và các thiết bị cơ điện tử hiện đại.

II. Phương Pháp Chế Tạo và Thiết Kế Mô Phỏng

Quá trình chế tạo mô hình đo biến dạng đàn hồi sử dụng phương pháp ép phun (injection molding) với vật liệu TPU. Để đạt được kết quả tối ưu, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các phần mềm thiết kế 2D, 3D như CAD và phần mềm mô phỏng ANSYS để phân tích ứng xử cơ học của cấu trúc. Thiết kế mô phỏng giúp dự báo độ biến dạng, ứng suất và các thông số kỹ thuật trước khi chế tạo thực tế, từ đó tối ưu hóa các thông số phun ép. Việc này giảm đáng kể thời gian gia công và chi phí sản xuất. Quy trình bao gồm: xác định yêu cầu kỹ thuật, thiết kế 3D, mô phỏng số, tối ưu hóa thiết kế, chế tạo khuôn mẫu và thử nghiệm thực tế.

2.1. Thiết Kế 3D và Phần Mềm CAD

Sử dụng phần mềm CAD để thiết kế mô hình 3D cơ cấu Bridge-Type. Thiết kế này xác định kích thước, hình dạng và các chi tiết hình học của khớp mềm. Tối ưu hóa hình học nhằm tăng độ khuếch đại tuyến tính trong khoảng đàn hồi của vật liệu TPU, đảm bảo độ chính xác cao.

2.2. Mô Phỏng Số và Phân Tích Phần Tử Hữu Hạn FEA

Phần mềm mô phỏng ANSYS được sử dụng để thực hiện phân tích phần tử hữu hạn (FEA) trên mô hình 3D. Qua đó, nhóm dự báo được độ biến dạng đàn hồi, ứng suất và độ khuếch đại tuyến tính của cấu trúc dưới các điều kiện tải khác nhau, từ đó điều chỉnh thiết kế để đạt hiệu suất tối ưu.

III. Khảo Sát Ảnh Hưởng Thành Phần TPU đến Độ Khuếch Đại Tuyến Tính

Mục tiêu chính của nghiên cứu là khảo sát sự ảnh hưởng của thành phần TPU (tỷ lệ cứng-mềm, hàm lượng plastisizer, độ cứng Shore A) đến độ khuếch đại tuyến tính của cấu trúc Bridge-Type. Qua các thí nghiệm, nhóm đã chế tạo nhiều mô hình với các thành phần TPU khác nhau và đo đạc biến dạng đàn hồi bằng đồng hồ so. Kết quả cho thấy: TPU có độ cứng thấp hơn cho phép biến dạng lớn hơn nhưng độ tuyến tính hóa kém, ngược lại TPU cứng hơn cho độ tuyến tính tốt hơn nhưng biến dạng nhỏ hơn. Tối ưu hóa thành phần giúp đạt được điểm cân bằng giữa độ khuếch đại và độ tuyến tính.

3.1. Quy Trình Đo Đạc Biến Dạng Đàn Hồi

Sử dụng đồng hồ so (dial gauge) để đo độ biến dạng của mô hình dưới các lực tải khác nhau. Quá trình đo được lặp lại nhiều lần để đảm bảo độ chính xác. Dữ liệu thực tế được ghi nhận, phân tích để so sánh với kết quả mô phỏng và xác nhận độ chính xác của mô hình thiết kế.

3.2. So Sánh Kết Quả Thực Tế và Mô Phỏng

Kết quả thực tế từ đo đạc được so sánh với dữ liệu mô phỏng từ phần mềm ANSYS. Sai lệch giữa hai kết quả được phân tích để hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng, từ đó điều chỉnh mô hình và tối ưu hóa thiết kế để đạt hiệu suất cao nhất.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tiễn

Qua quá trình nghiên cứu, nhóm đã đạt được những kết quả quan trọng về ảnh hưởng thành phần TPU đến hiệu suất cơ cấu Bridge-Type. Các thông số thiết kế tối ưu đã được xác định, cho phép độ khuếch đại tuyến tính cao trong khoảng hoạt động an toàn. Những kinh nghiệm tích lũy trong thiết kế, chế tạo, lắp ráp và tính toán biến dạng sẽ có giá trị ứng dụng trong các dự án thực tế. Nghiên cứu này có thể được áp dụng trong các hệ thống cảm biến, thiết bị đo lường chính xác, và các cơ cấu robot mềm hiện đại. Kết quả cũng cung cấp nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa vật liệu polyurethane trong công nghiệp chế tạo máy.

4.1. Kết Luận Chính từ Nghiên Cứu

Nhóm kết luận rằng thành phần TPU có ảnh hưởng trực tiếp đến độ khuếch đại tuyến tính của cấu trúc. Một công thức tối ưu giữa độ cứng và độ mềm của TPU được xác định, giúp đạt hiệu suất hoạt động tốt nhất cho cơ cấu Bridge-Type, đảm bảo độ chính xác cao và độ bền dài lâu.

4.2. Hướng Phát Triển và Ứng Dụng Tương Lai

Kết quả nghiên cứu mở ra những hướng phát triển mới trong chế tạo các khớp mềm thông minh, cảm biến uốn cong, và các hệ thống cơ điện tử chính xác cao. Ứng dụng vật liệu TPU tối ưu trong các sản phẩm công nghiệp sẽ nâng cao hiệu suất và độ bền của các thiết bị tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay máy móc ngày càng phát triển từ đơn giản đến phức tạp, từ kích thước nhỏ đến kích thước lớn. Với sự phát triển hiện nay của xã hội, yêu cầu mới đặt ra là các sản phẩm làm ra có độ chính xác cao, do đó bắt buộc máy móc cũng phải có độ chính xác cao. Trong quá trình hoạt động tất cả các bộ phận của máy móc đều cần hoạt động một cách trơn chu, chính xác để có thể tạo ra năng suất và chất lượng sản phẩm, một trong những bộ phận máy góp phần không hề nhỏ đến chất lượng của máy là các khớp. Các loại khớp cổ điển vẫn đang thực hiện tốt nhiệm vụ của mình nhưng các loại khớp cổ điển thường xuất hiện khe hở, dẫn đến ma sát và rung động, gây ra sự hao mòn của khớp.

Vì vậy hiện nay sự tiên tiến của kỹ thuật đã phát triển một loại khớp uốn cong có thể khắc phục được nhược điểm của khớp cổ điển. Cơ cấu “Bridge-Type” là một trong những số đó. Thấy được lợi ích của cơ cấu “Bridge-Type” và muốn tối ưu hóa các thông số thiết kế, vì vậy nhóm nghiên cứu chọn đề tài: Ảnh hưởng của thành phần TPU đến biến dạng đàn hồi của sản phẩm phun ép nhựa. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay các sản phẩm công nghiệp được sử dụng trên thị trường ngày càng nhiều, nhu cầu tăng cao đòi hỏi ngành sản xuất công nghiệp đang đứng trước một thách thức rất lớn về số lượng lẫn kể cả chất lượng.

Đồng thời yêu cầu về độ chính xác ngày càng cao cũng là một bài toán cần phải giải quyết ngay bây giờ. Các sản phẩm ngày càng phức tạp không những chính xác mà còn thẩm mỹ mới đáp ứng được yêu cầu hiện nay của xã hội. Trong thời gian ngắn thì vấn đề này sẽ chưa thể giải quyết được vì còn phụ thuộc rất nhiều yếu tố cũng như trình độ phát triển khoa học kỹ thuật. Do đó yêu cầu đầu tiên là nâng cao độ chính xác của máy móc.

Hiện đã có một số giải pháp được đưa ra nhằm tăng độ chính xác của máy ví dụ như điều khiển tự động, sử dụng linh kiện chính xác.Tuy nhiên do mục đích sử dụng đặc thù mà mỗi phương pháp đều có các ưu nhược điểm riêng. Một trong những cách cải thiện độ chính xác là tăng độ phân giải của cơ cấu dẫn động. Trong cơ cấu dẫn động, các khớp là một phần vô cùng quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác, ở các khớp cổ điển có một vấn đề là sự xuất hiện của các khe hở, điều này dẫn đến sự rung động và một phần hao mòn do ma sát tạo ra sau một thời gian dài hoạt động. Để giải `1 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS.

Đoàn Tất Linh quyết vấn đề này hiện nay khoa học kỹ thuật đã phát triển một loại khớp không có khe hở đó là khớp mềm. Vì vậy khớp mềm cần được nghiên cứu, phát triển và thực nghiệm để xác định được mức độ hiệu quả của nó từ đó có thể cải thiện độ chính xác của máy móc. Mục tiêu đề tài - Tổng quan về vật liệu nhựa. -Tổng quan về cơ cấu mềm dạng “Bridge-Type”.

- Tổng quan về công nghệ phun ép, khuôn mẫu. - Thiết kế mô hình 3D dùng trong đo biến dạng đàn hồi của mô hình “Bridge-Type”. - Chế tạo, lắp ráp và thử nghiệm. Ý nghĩa khoa học Tạo điều kiện, tiền đề cho người nghiên cứu áp dụng các kiến thức, kỹ năng đã học và thực tập vào đời sống thực tiễn.

Tạo ra một sản phẩm hoàn toàn mới mẻ đối với nước ta nói chung và một vài doanh nghiệp nói riêng, góp phần vào quá trình “công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước” xứng đáng với sự tin tưởng của Đảng và nhà nước vào giáo dục. Ý nghĩa thực tiễn Tạo ra một công cụ giúp cho đời sống con người trở nên dễ dàng hơn. Nâng cao năng suất lao động cho doanh nghiệp nói chung và người dùng nói riêng. Sản phẩm góp phần cải thiện việc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.

Đặc biệt là xu hướng nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy móc nhằm giảm sức lao động của người công nhân, tạo sự cạnh tranh của nền công nghiệp trong thời điểm Việt Nam là thành viên của tổ chức thương mại thế giới WTO ngay trên chính đất nước chúng ta. Phương pháp nghiên cứu 1. Cơ sở phương pháp luận Phương pháp nghiên cứu là những nguyên tắc và cách thức hoạt động khoa học nhằm đạt đến chân lý khách quan dựa trên cơ sở của sự chứng minh khoa học. Theo định nghĩa này cần phải có những nguyên tắc cụ thể và dựa theo đó các vấn đề được giải quyết.

Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của các cơ cấu hoạt động, cơ cấu tịnh tiến, tính toán độ phóng đại lý thuyết và các nguyên lý thực tế đang áp dụng. `2 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Đoàn Tất Linh 1. Các phương pháp nghiên cứu khác Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Tham khảo các nguồn tài liệu như sách, giáo trình, tài liệu tham khảo, các bài viết từ những nguồn tin cậy trên Internet, các công trình nghiên cứu… nhằm xác định được các cơ cấu hoạt động, các phương án truyền động, gia công tối ưu cho mô hình.

Phương pháp thực nghiệm: Tham khảo các mô hình cơ cấu mềm từ những bài báo nghiên cứu đã có. Sau đó tiến hành thiết kế, chế tạo, lắp đặt mô hình riêng của nhóm và đo đạc, thu kết quả rồi so sánh kết quả thực tế với kết quả mô phỏng. Qua nhiều lần thực nghiệm, nhóm sẽ chọn ra phương án tối ưu nhất có thể. Phương pháp phân tích - tổng hợp: Sau khi đã tham khảo, nghiên cứu tài liệu, quá trình nghiên cứu thực nghiệm cho ra các số liệu cần thiết đầu tiên và những hình dung ban đầu.

Phương pháp mô hình hóa: Xây dựng mô hình 3D bằng phần mềm Creo Parametric. Gia công, chế tạo ra sản phẩm là mục tiêu chính của đề tài, là cơ hội để áp dụng các kiến thức đã học và thực tập, là thách thức với những kiến thức mới mà thực tiễn đòi hỏi đặt ra. Phương pháp kiểm nghiệm: Mô hình gia công chế tạo xong sẽ được kiểm nghiệm qua thầy hướng dẫn và lắp thử nhằm đánh giá độ hiệu quả của cơ cấu. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu.

Phạm vi nghiên cứu. Đề tài nằm trong phạm vi làm luận văn tốt nghiệp do đó điều kiện vật chất và thời gian có hạn nên đề tài chỉ dừng lại ở mức độ thử nghiệm đo về “biến dạng đàn hồi của sản phẩm ép nhựa” và “vật liệu nhựa”. Việc thực nghiệm trên các vật liệu nhựa khác nhau và các tỉ lệ trộn nhựa phức tạp khó có thể thực hiện cùng lúc. Do đó đề tài tập trung thực nghiệm đo độ biến dạng đàn hồi của mô hình với các thông số thiết kế, đồng thời so sánh đánh giá độ chính xác của quá trình mô phỏng, dự đoán.

Đối tượng nghiên cứu. Ở đề tài tốt nghiệp lần này,đề tài “Ảnh hưởng của thành phần TPU đến độ biến dạng đàn hồi của sản phẩm phun ép nhựa”, nhóm tập trung nghiên cứu về cơ cấu Bridge-Type và vật liệu nhựa. Vật liệu nhựa cụ thể ở đây nhựa TPU và nhựa ABS được trộn lại với nhau theo các tỉ lệ khác nhau. `3 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS.

Đoàn Tất Linh CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Vật liệu nhựa 2. Định nghĩa Nhựa, hay còn gọi là vật liệu dẻo, là một loại hợp chất có khả năng thay đổi hình dạng dưới tác động của nhiệt hoặc áp suất cao. Khi chịu tác động này, nhựa có thể biến dạng và giữ nguyên hình dạng mới sau khi tác động kết thúc.

Nhựa có đa dạng về màu sắc, bền, nhẹ và khó vỡ, là lý do tại sao nó được sử dụng phổ biến trong sản xuất ngày nay. Vật liệu nhựa được tạo thành từ các chất hữu cơ, chủ yếu là nguyên liệu hóa thạch, bao gồm khí tự nhiên, than đá, dầu mỏ, cũng như từ nguồn gốc sinh học như khoai, sắn hoặc tinh bột ngô. (a) Hạt nhựa (b) Ống nước (c) Đồ gia dụng Hình 2. 1: Các vật dụng về nhựa 2.

Phân loại vật liệu nhựa a) Nhựa nhiệt dẻo Đây là loại nhựa có khả năng thay đổi hình dạng khi nhiệt độ đạt đến mức nóng chảy. Sau quá trình này, hình dạng mới của nhựa vẫn được giữ nguyên. Do đó, nhựa nhiệt dẻo có khả năng tái chế. Một số loại nhựa nhiệt dẻo phổ biến hiện nay bao gồm PE, PP, PVC, PS, HDPE, LDPE.

`4 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Đoàn Tất Linh a) Vật dụng nhựa PE b) Vật dụng nhựa PP Hình 2. 2: Một số vật dụng về nhựa nhiệt dẻo b) Nhựa nhiệt rắn Đây là vật liệu dẻo tổng hợp, thông qua các phương pháp xử lý, chúng trải qua biến đổi hóa học và không thể nóng chảy hoặc hòa tan trở lại. Chất liệu này thay đổi cả về tính chất vật lý và hóa học khi nhiệt độ đạt đến một mức nhất định.

Khi đó, chất liệu tạo ra cấu trúc không gian ba chiều và không thể khôi phục. Do đó, chất liệu này không có khả năng tái chế. Một số ví dụ phổ biến khi nhắc đến nhựa nhiệt rắn là Epoxy, Polyester, Vinyl Ester, cao su lưu hóa. a) Sản phẩm của nhựa Epoxy `5 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS.

Đoàn Tất Linh b) Sản phẩm từ Vulcanized ruber Hình 2. 3: Hình ảnh một số sản phẩm về nhựa nhiệt rắn 2. Ưu nhược điểm Ưu điểm: - Nhựa nguyên sinh thường có thiết kế và hình dạng linh hoạt hơn. Vì không có sự thay đổi trong cấu trúc phân tử khi nhiệt và áp suất được áp dụng trong quá trình sản xuất.

- Nếu bạn đang tìm kiếm một sản phẩm nhựa có độ bền và tính thẩm mỹ cao, nhựa nguyên sinh có thể là lựa chọn tốt hơn so với nhựa tái chế. - Hàm lượng chất gây hại như Antimom hay BPA trong nhựa này thường nằm trong ngưỡng an toàn. Nhược điểm: - Việc xử lý chất thải nhựa nguyên sinh tại các bãi rác là một vấn đề đáng quan ngại. - Sử dụng và khai thác nguồn năng lượng hóa thạch để sản xuất nhựa nguyên sinh gây nguy hiểm và gây tổn hại môi trường.

Ứng dụng của nhựa nguyên sinh trong cuộc sống Nhựa nguyên sinh được sử dụng rộng rãi và có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực sau:  Lĩnh vực y tế: sản xuất thùng chứa, dụng cụ phẫu thuật, ống tai, thiết bị nha khoa.  Lĩnh vực thực phẩm: đóng gói bao bì thực phẩm, màng bọc thực phẩm, dụng cụ ăn uống như muỗng, ống hút, chai, lọ, hũ, khay nhựa.