Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp thực phẩm và nước giải khát tại Việt Nam có tốc độ tăng trưởng nhanh, thị trường xuất hiện sự cạnh tranh gay gắt giữa nhiều thương hiệu lớn (Suntory PepsiCo, Coca-Cola, Tân Hiệp Phát) và các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ. Tại các nhà máy quy mô công nghiệp, hệ thống chiết rót và đóng gói bao bì được tự động hóa hoàn toàn với các dây chuyền sấy màng co liên tục đạt năng suất trên 100 chai/phút. Tuy nhiên, các cơ sở sản xuất nước uống đóng chai nhỏ lẻ (phục vụ phân khúc thị trường riêng) thường gặp khó khăn lớn về nguồn vốn đầu tư trang thiết bị tự động. Phần lớn các cơ sở này phải sử dụng phương pháp thủ công dùng thiết bị nhiệt cầm tay (như máy sấy nhiệt) để làm co màng bao bì. Cách làm này tồn tại nhiều nhược điểm: tốn thời gian, tốn nhiều nhân công qua các công đoạn và chất lượng màng co không đồng đều.

Xuất phát từ thực tế đó, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Chế tạo máy tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện đề tài "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy sấy màng co thế hệ mới" nhằm cung cấp một giải pháp thiết bị đóng gói nhỏ gọn, chi phí chế tạo thấp, vận hành ổn định và nâng cao năng suất cho các cơ sở sản xuất nhỏ lẻ.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định gồm 5 nội dung chính:

  1. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của máy sấy màng co nhiệt và quá trình co rút màng polyme dưới tác dụng của nhiệt đối lưu.
  2. Dựa vào nguyên lý nhiệt để lên ý tưởng, lựa chọn và cải tiến phương án thiết kế máy sấy màng co dạng khay quay.
  3. Tính toán kết cấu cơ khí, tải trọng, độ bền, chuyển vị của khung đế và tỷ số truyền động đai răng.
  4. Tính toán năng suất làm việc, xác định công suất hoạt động của hệ thống và lựa chọn động cơ phù hợp.
  5. Thiết kế mạch điều khiển hệ thống sấy (điều khiển tốc độ động cơ DC và kiểm soát nhiệt độ), tiến hành gia công chế tạo mô hình thực tế và thử nghiệm đóng gói.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Máy sấy màng co nhiệt dạng đứng sử dụng cơ cấu khay quay mang chai và hệ thống cấp nhiệt đối lưu định hướng.
  • Đối tượng sản phẩm phục vụ: Chai nước suối nhựa PET có dung tích từ 330ml đến 500ml đã được lồng sẵn màng co ở thân và nắp.
  • Năng suất thiết kế: 5.000 chai/ngày.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được thực hiện tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, hoàn thành vào tháng 07/2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết kỹ thuật cơ khí, nhiệt học và công nghệ chế tạo:

  • Cơ sở lý thuyết về vật liệu và công nghệ bao bì: Tính chất cơ - nhiệt của nhựa nhiệt dẻo Polyethylene terephthalate (PET) dùng làm chai chứa (nhiệt độ định hình, độ nhớt từ 0,6 đến 0,85 dl/g, khả năng chịu nhiệt đến 200°C); cơ chế co nhiệt của màng co nhựa khi tiếp xúc với luồng khí nóng; tổng quan các phương pháp xử lý và thanh trùng nước uống (phương pháp DCMD của GS. Kamalesh Sirkar, lọc gốm, khử flo, khử asen bằng phế liệu PET phủ cysteine theo nghiên cứu của GS. Tsanangurayi Tongesayi, lọc nano, khử trùng bằng tia cực tím SteriPEN).
  • Lý thuyết chi tiết máy và sức bền vật liệu: Phương pháp tính toán tải trọng tác dụng lên trục chính thẳng đứng, xác định ứng suất và chuyển vị bền của kết cấu khung 3 chân đế; phương pháp tính toán động học và hình học bộ truyền đai răng (xác định môđun, chiều rộng đai, số răng bánh đai, khoảng cách trục).
  • Lý thuyết gia công cơ khí: Đặc tính hóa học và cơ lý của thép không gỉ Inox 201 và Inox 304 theo tiêu chuẩn ASTM A240M; công nghệ hàn kim loại (hàn gió đá); công nghệ uốn lốc kim loại tấm bằng máy uốn thủy lực 3 trục và 4 trục theo hướng ngang và hướng dọc để tạo vỏ hình trụ.
  • Lý thuyết điều khiển truyền động điện: Nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều (DC) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) kết hợp bộ điều khiển nhiệt độ buồng sấy.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, phân tích nguyên lý của các dòng máy rút màng co thương mại (như dòng BSE-5040B) và các quy trình chiết rót, đóng chai công nghiệp.
  • Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật: Áp dụng các công thức sức bền vật liệu và nguyên lý máy để tính chọn công suất motor NF5475E, tính mômen uốn - xoắn trên trục chính và kiểm tra biến dạng đàn hồi của các chi tiết đỡ.
  • Phương pháp thiết kế mô hình 3D: Sử dụng phần mềm chuyên ngành để dựng mô hình kết cấu cơ khí, nắp buồng nhiệt, khay quay và cơ cấu gạt phôi.
  • Phương pháp gia công chế tạo và thực nghiệm: Gia công cơ khí trực tiếp (cắt, uốn lốc Inox, tiện trục, hàn khung vỏ), lắp ráp hệ thống mạch điện điều khiển và chạy thực nghiệm sấy màng co trên chai nước mẫu 330ml - 500ml để kiểm tra độ kín khít, độ nhăn và thẩm mỹ của màng co.

Nguồn dữ liệu: Thông số kỹ thuật từ nhà sản xuất động cơ DC, bảng tiêu chuẩn cơ tính và thành phần hóa học vật liệu Inox 201/304 theo tiêu chuẩn A240M, cùng số liệu đo đạc thực tế từ quá trình vận hành thử nghiệm mô hình máy.

Thiết kế kỹ thuật và chế tạo hệ thống

Khóa luận thuộc dạng đề tài thiết kế và chế tạo máy kỹ thuật cơ khí, quy trình thực hiện gồm 7 giai đoạn: Xác định mục đích thiết kế -> Lên ý tưởng -> Thiết kế bản vẽ -> Gia công -> Sửa chữa hiệu chỉnh -> Thử nghiệm -> Hoàn thiện thành phẩm.

Cụm bộ phận Kết cấu và quy cách kỹ thuật Chức năng hoạt động
Vỏ buồng sấy (Thành hộp) Thép không gỉ Inox 201, đường kính ngoài 640mm, dạng trụ tròn 2 lớp, ở giữa lót vật liệu cách nhiệt. Tạo buồng kín giữ nhiệt, cố định không gian hoạt động của khay quay và bảo đảm an toàn nhiệt cho người vận hành.
Nắp buồng sấy Inox 201, khoét 2 lỗ dẫn khí nóng có đường kính khác nhau gắn ống nối định hướng. Giữ nhiệt phía trên và dẫn trực tiếp luồng khí nóng từ thiết bị sấy vào vùng nắp chai và thân chai.
Khay quay mang phôi Trục thép thẳng đứng kết hợp đĩa tròn, các thanh đỡ và vòng móc/thanh chắn song song đặt cách nhau 50mm. Đỡ đáy và thân chai nước, quay tròn để đưa chai lần lượt qua vùng sấy nhiệt và chuyển đến vị trí lấy phôi.
Hệ thống dẫn động Động cơ điện một chiều DC (Motor NF5475E) kết hợp bộ truyền đai răng và bạc đạn gối đỡ. Truyền chuyển động quay từ motor đến trục chính của khay với tốc độ ổn định, giảm rung lắc và chống đảo trục.
Cơ cấu định vị & lấy phôi Cụm định vị trục trên gắn bạc đạn tháo lắp nhanh và thanh gạt phôi định hướng ở cửa ra. Giảm độ rơ của trục chính khi quay và tự động dẫn hướng đẩy chai đã sấy màng co ra khỏi khay mà không cần can thiệp thủ công.
Hệ thống điều khiển & nhiệt Mạch điều khiển tốc độ động cơ DC, bộ cấp nguồn, chiết áp điều chỉnh và thiết bị thổi nhiệt nóng. Tinh chỉnh tốc độ quay của khay tương thích với nhiệt độ sấy nhằm bảo đảm màng co rút đều, không làm biến dạng vỏ chai PET.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về thị trường nước giải khát

Chương này khảo sát bức tranh toàn cảnh về ngành đồ uống tại Việt Nam. Tác giả phân loại các dòng sản phẩm chủ lực gồm: nước suối/nước khoáng thiên nhiên, nước ngọt có gas và nước tăng lực bổ sung khoáng chất. Nội dung chương cung cấp dữ liệu thị phần của các doanh nghiệp đầu ngành như Suntory PepsiCo Việt Nam (Aquafina, Pepsi, 7Up, Revive, Mountain Dew, Tea Plus), Coca-Cola (Coca-Cola, Sprite, Samurai, Dasani, Nutriboost) và Tập đoàn Tân Hiệp Phát (Number One, Trà xanh Không Độ, Trà thanh nhiệt Dr. Thanh). Phân tích thị trường cho thấy sự phân hóa rõ nét giữa chuỗi sản xuất quy mô lớn và nhu cầu bức thiết của các xưởng tư nhân trong việc tìm kiếm thiết bị phụ trợ đóng gói giá rẻ.

Chương 2: Một số mẫu chai và giới thiệu về màng co

Chương 2 trình bày các quy cách đóng chai nhựa thông dụng trên thị trường với các dung tích 330ml, 500ml, 1 lít, 5 lít và bình 20 lít. Tác giả tập trung phân tích 4 vai trò thiết yếu của màng co nhiệt bao quanh thân và nắp chai:

  1. Truyền tải thông điệp thương hiệu và chiến dịch marketing của nhà sản xuất (dẫn chứng chiến dịch truyền thông "421" của nhãn hàng Aquafina).
  2. Thể hiện đầy đủ các thông tin bắt buộc theo quy định pháp luật (nhà sản xuất, nơi sản xuất, nhà phân phối, bảng thành phần dinh dưỡng, thể tích thực như trên nhãn Pocari Sweat).
  3. Nâng cao tính thẩm mỹ của sản phẩm, tạo sự khác biệt về nhận diện thị giác đối với người tiêu dùng.
  4. Niêm phong, bảo vệ nắp chai chống bụi bẩn và ngăn chặn nguy cơ xâm nhập của vi khuẩn, hàng giả.

Chương 3: Quá trình sản xuất nước và ý tưởng thiết kế máy rút màng co

Nội dung chương tổng hợp các công nghệ xử lý nước tinh khiết (màng tiếp xúc trực tiếp DCMD, lọc gốm, khử flo bằng thảo dược, khử asen bằng phế liệu phủ cysteine, công nghệ lọc nano carbon/graphene và bút chiếu tia UV SteriPEN). Tác giả trình bày chi tiết về cấu trúc, độ nhớt và quy trình gia công nhựa PET gồm 2 giai đoạn: ép hạt nhựa nguyên sinh ở 180°C (chu kỳ vài chục giây đến vài phút) để tạo phôi và gia nhiệt thổi chai bằng khí nén trục vít. Cuối chương, đồ án phân tích dây chuyền đóng gói công nghiệp và chỉ ra hạn chế của các phương pháp rút màng co thủ công dùng thiết bị cầm tay, từ đó đề xuất ý tưởng chế tạo máy sấy màng co khay quay buồng kín.

Chương 4: Lựa chọn phương án thiết kế

Tác giả đề xuất các tiêu chí kỹ thuật thiết kế: đường kính ngoài lớn nhất dưới 1m, khối lượng nhẹ, kết cấu gọn gàng, dễ tháo lắp - vận chuyển và làm việc được trên nhiều địa hình. Chương này so sánh 2 phương án:

  • Phương án 1: Thiết kế gồm thành hộp Inox 201 (đường kính 640mm, có lớp cách nhiệt), nắp hộp khoét 2 lỗ dẫn khí nóng và khay quay gắn các thanh chắn giữ chai cách nhau 50mm, dẫn động đai từ đáy.
  • Phương án 2: Kế thừa kết cấu thành hộp và nắp hộp của phương án 1 nhưng cải tiến cụm cố định trục phía trên với bạc đạn đỡ để triệt tiêu độ đảo trục phát sinh do khe hở lắp ghép, đồng thời tối ưu hóa khả năng tháo lắp linh hoạt mà không làm hỏng trục sau nhiều lần vận hành.

Chương 5: Phương pháp gia công

Chương 5 phân tích chuyên sâu về cơ sở vật liệu và công nghệ chế tạo cơ khí. Tác giả so sánh chi tiết thành phần hóa học và cơ tính giữa Inox 201 và Inox 304 theo tiêu chuẩn ASTM A240M, làm rõ lý do sử dụng Inox 201 cho phần vỏ buồng nhằm tối ưu chi phí và trọng lượng. Nội dung gia công trình bày kỹ thuật hàn gió đá theo các góc độ tương ứng với bề dày chi tiết, cùng nguyên lý uốn kim loại tấm trên máy uốn thủy lực 3 trục và 4 trục theo công nghệ uốn lốc hướng ngang và hướng dọc để tạo biên dạng trụ tròn cho thành vỏ máy sấy.

Chương 6: Tính toán thiết kế

Chương này tập trung toàn bộ các bước tính toán động lực học, sức bền và truyền động cơ khí:

  • Xác định công suất và lựa chọn động cơ: Chọn motor điện một chiều DC model NF5475E (hoặc biến thể NF54735) kèm sơ đồ mạch điều khiển tốc độ.
  • Tính toán động học khay quay và lực tác dụng lên trục chính thẳng đứng trong trạng thái đầy tải.
  • Kiểm nghiệm ứng suất và độ chuyển vị bền của hệ thống khung 3 chân đế đỡ toàn bộ máy.
  • Tính toán thiết kế bộ truyền đai răng: Xác định môđun răng, bề rộng đai, đường kính bánh đai chủ động - bị động và khoảng cách trục nhằm đảm bảo tỷ số truyền ổn định và không bị trượt khi tải thay đổi.

Chương 7: Thành phẩm đồ án

Tác giả đối chiếu chi tiết giữa bản vẽ thiết kế ban đầu và mô hình máy thực tế sau khi gia công hoàn thiện:

  • Mô tả các cụm chi tiết đã chế tạo: Nắp hộp có họng dẫn khí, chân máy, thành hộp Inox cách nhiệt, cụm cố định trục trên kèm bạc đạn, bạc đạn gối đỡ dưới, trục khay quay, động cơ DC và bộ truyền đai răng, vòng móc đỡ chai và chi tiết gạt phôi tự động.
  • Trình bày kết quả thử nghiệm vận hành sấy màng co trên chai nước 330ml và 500ml: Màng co ôm sát thân và cổ chai, bề mặt phẳng đều, không bị nhăn rách hay biến dạng vỏ chai PET do quá nhiệt.

Chương 8: Phương hướng phát triển

Chương cuối cùng tổng kết các giải pháp nâng cấp máy trong tương lai: Nghiên cứu cải tiến hệ thống cấp phôi tự động hoàn toàn (băng tải tiếp liệu liên tục); tối ưu hóa vị trí và số lượng họng thổi khí nóng để phân phối nhiệt đều hơn; mở rộng dải kích thước khay quay để ứng dụng sấy màng co cho các loại sản phẩm đa dạng khác như hộp bánh, lốc chai hoặc chai có dung tích lớn hơn.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu đề ra với các kết quả cụ thể:

  • Chế tạo thành công máy sấy màng co thế hệ mới: Máy có kết cấu dạng đứng, kích thước bao ngoài gọn gàng (đường kính ngoài thân hộp 640mm, nhỏ hơn giới hạn thiết kế 1m), dễ dàng tháo lắp và di chuyển.
  • Đáp ứng năng suất thiết kế: Hệ thống đạt năng suất định mức 5.000 chai/ngày đối với các mẫu chai nhựa PET từ 330ml đến 500ml, đáp ứng đúng yêu cầu của các cơ sở sản xuất nước uống vừa và nhỏ.
  • Giải pháp kết cấu và điều khiển hiệu quả: Ứng dụng thành công cơ cấu khay quay mang phôi liên tục kết hợp bộ phận gạt lấy sản phẩm tự động; hệ thống nắp khoét 2 lỗ dẫn khí tập trung nhiệt chính xác vào nắp và thân chai; mạch điều khiển động cơ DC cho phép tùy chỉnh tốc độ quay đồng bộ với nhiệt độ sấy.
  • Tối ưu hóa chi phí: Lựa chọn vật liệu Inox 201 gia công vỏ và các chi tiết định hình giúp giảm giá thành vật tư và giảm trọng lượng toàn máy nhưng vẫn đảm bảo độ bền cơ học và tính thẩm mỹ công nghiệp.
  • Đóng góp thực tiễn: Cung cấp một giải pháp công nghệ chế tạo máy hoàn chỉnh, chuyển đổi quy trình sấy màng co thủ công năng suất thấp sang bán tự động với chi phí đầu tư thấp, tạo điều kiện thuận lợi cho các cơ sở sản xuất quy mô nhỏ nâng cao năng lực cạnh tranh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra một số hạn chế và định hướng phát triển dựa trên kết quả thực tế:

  • Hạn chế:
    • Khâu nạp chai vào khay quay vẫn cần sự can thiệp thủ công của công nhân (chưa có cụm cấp chai tự động).
    • Kết cấu khay hiện tại được tính toán tối ưu cho kích thước chai 330ml đến 500ml, chưa linh hoạt điều chỉnh cho các loại bao bì có kích thước hoặc hình dạng đặc biệt lớn.
    • Sự phân bố dòng nhiệt phụ thuộc vào ống dẫn bên ngoài, cần tinh chỉnh vị trí thủ công theo từng cỡ chai.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Thiết kế và lắp đặt thêm cơ cấu cấp phôi tự động dạng băng tải hoặc phễu cấp liệu để khép kín hoàn toàn chu trình sấy.
    • Tích hợp thêm cảm biến nhiệt độ buồng sấy có phản hồi vòng kín để tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ DC.
    • Cải tiến buồng nhiệt đa năng nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng sang sấy màng co cho hộp thực phẩm, mỹ phẩm và đồ gia dụng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Chế tạo máy: Tham khảo quy trình hoàn chỉnh từ khâu lên ý tưởng, tính toán động lực học, tính chọn động cơ, thiết kế bộ truyền đai răng đến quy trình gia công kim loại tấm (uốn lốc Inox, hàn gió đá) và lắp ráp cơ khí.
  • Kỹ sư thiết kế máy đóng gói và thiết bị thực phẩm: Tham khảo giải pháp kết cấu buồng sấy dạng đứng khay quay, phương pháp định hướng luồng khí nóng tập trung và cơ cấu gạt phôi tự động.
  • Các cơ sở sản xuất và xưởng gia công cơ khí nhỏ: Cung cấp mô hình tham khảo thực tế để chế tạo thiết bị sấy màng co chi phí thấp, thay thế các phương pháp sấy thủ công kém hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy sấy màng co trong đồ án được thiết kế cho loại sản phẩm nào và đạt năng suất bao nhiêu?

Máy được thiết kế chuyên dụng cho các loại chai nước suối nhựa PET có dung tích từ 330ml đến 500ml đã lồng màng co. Năng suất làm việc của máy đạt 5.000 chai/ngày.

2. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn Inox 201 thay vì Inox 304 để chế tạo thân và nắp buồng sấy?

Nhóm tác giả chọn Inox 201 vì loại thép không gỉ này có giá thành thấp hơn và khối lượng riêng nhẹ hơn Inox 304, giúp giảm chi phí chế tạo và tổng trọng lượng máy. Do môi trường làm việc của buồng sấy chủ yếu là nhiệt đối lưu khô (không tiếp xúc trực tiếp với hóa chất ăn mòn mạnh), Inox 201 hoàn toàn đáp ứng tốt các yêu cầu về độ bền cơ học và tính thẩm mỹ.

3. Nguyên lý vận chuyển và sấy chai nước bên trong máy diễn ra như thế nào?

Chai nước sau khi lồng màng co được đặt vào các vị trí định vị trên khay quay tròn (khoảng cách các thanh chắn giữ chai là 50mm). Trục khay được dẫn động quay liên tục bởi động cơ DC thông qua bộ truyền đai răng. Khi khay quay, chai lần lượt đi qua vùng nhiệt nhận khí nóng từ 2 họng dẫn khí trên nắp để rút màng co ở thân và nắp chai, sau đó được cơ cấu gạt phôi tự động dẫn hướng đẩy ra ngoài.

4. Động cơ và phương pháp điều khiển chuyển động của máy sử dụng loại nào?

Hệ thống sử dụng động cơ điện một chiều DC mã hiệu Motor NF5475E (NF54735). Tốc độ quay của trục khay được kiểm soát thông qua mạch điều khiển động cơ DC có núm xoay chiết áp, cho phép người vận hành dễ dàng điều chỉnh thời gian lưu nhiệt của chai trong buồng sấy.

5. Kết cấu thành hộp và nắp buồng sấy có điểm gì đặc biệt để giữ nhiệt và định hướng gió?

Thành hộp có đường kính ngoài 640mm, được chế tạo 2 lớp bằng Inox 201 với lớp vật liệu cách nhiệt lót ở giữa nhằm tránh thất thoát nhiệt ra môi trường và chống bỏng. Nắp buồng sấy được gia công khoét 2 lỗ có đường kính khác nhau để gắn các ống dẫn khí nóng từ thiết bị sấy, thổi trực tiếp luồng nhiệt tập trung vào phần nắp chai và thân chai cần làm co màng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy sấy màng co thế hệ mới" đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ khí từ tính toán lý thuyết, thiết kế kết cấu đến chế tạo thực nghiệm máy đóng gói màng co dạng khay quay. Sản phẩm đạt năng suất thiết kế 5.000 chai/ngày cho các loại chai PET 330ml - 500ml, có kích thước gọn gàng, kết cấu tháo lắp linh hoạt và chi phí chế tạo thấp. Đây là giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao, đáp ứng tốt nhu cầu nâng cao năng suất và chuẩn hóa bao bì cho các cơ sở sản xuất nước giải khát vừa và nhỏ tại Việt Nam.