Hcmute: Thiết kế và chế tạo máy tự động làm dĩa ăn bằng vật liệu thân thiện với môi trường

• Tác giả: Trần Viết Thanh Nam
• Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thu Thủy
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Máy Tự Động Làm Dĩa Ăn Từ Vật Liệu Thân Thiện Môi Trường
• Loại tài liệu: Luận Văn
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết
• 1.2. Lý do lựa chọn đề tài
• 1.3. Tổng quan về tình hình nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Mục tiêu đề tài
• 1.5. Phạm vi đề tài
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Nội dung tổng quan
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Yêu cầu đặt ra đối với sản phẩm dĩa ăn
• 2.2. Định hình kết cấu sản phẩm
• 2.3. Lựa chọn vật liệu
• 2.4. Lý thuyết vật liệu
• 2.5. Quy trình công nghệ của sản phẩm
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ
• 3.1. Các bộ phận chính của máy
• 3.2. Tính toán, thiết kế kết cấu khung ép
• 3.3. Lựa chọn xylanh ép
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ
• 4.1. Sản phẩm máy tự động
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ
• 5.1. Định hướng cải tiến
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về máy tự động làm dĩa ăn từ vật liệu thân thiện môi trường

Bài báo này trình bày về thiết kế và chế tạo máy tự động làm dĩa ăn sử dụng vật liệu thân thiện môi trường. Nghiên cứu tập trung vào việc giảm thiểu chất thải dĩa nhựa, một vấn đề môi trường cấp bách. Máy sản xuất dĩa tự động này sử dụng vật liệu sinh học, cụ thể là lá chuối, bìa carton tái chế và bột năng làm chất kết dính, để tạo ra dĩa ăn tự động, giảm lượng chất thải dĩa ra môi trường. Công nghệ sản xuất dĩa tự động được tối ưu để đảm bảo hiệu quả kinh tế và tính bền vững. Giải pháp sản xuất dĩa bền vững này đóng góp vào mục tiêu sản xuất dĩa sạch và giảm thiểu chất thải dĩa. Lợi ích của dĩa thân thiện môi trường là rõ ràng, góp phần vào xu hướng sản xuất dĩa bền vững.

1.1. Tính cấp thiết của việc phát triển máy làm dĩa tự động từ vật liệu thân thiện môi trường

Lượng rác thải nhựa đang gia tăng đáng kể, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Dĩa dùng một lần làm từ nhựa là một phần lớn trong lượng rác thải này. Tác động môi trường của dĩa dùng một lần rất tiêu cực, gây hại cho động vật biển và làm ô nhiễm nguồn nước. Việc tìm kiếm giải pháp thay thế dĩa nhựa là cần thiết. Dĩa sinh học làm từ vật liệu tự nhiên hoặc vật liệu tái chế là một giải pháp tiềm năng. Máy móc sản xuất dĩa tự động từ vật liệu thân thiện môi trường sẽ giúp sản xuất quy mô lớn, đáp ứng nhu cầu thị trường và giảm thiểu tác động môi trường. Nghiên cứu này hướng đến việc chế tạo một máy làm dĩa tự động hiệu quả, thân thiện với môi trường và có khả năng cạnh tranh về chi phí. Chi phí sản xuất dĩa tự động được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo tính khả thi của dự án. So sánh dĩa nhựa và dĩa sinh học cho thấy sự vượt trội của dĩa sinh học về mặt bảo vệ môi trường. Ứng dụng của vật liệu thân thiện môi trường trong sản xuất dĩa mở ra nhiều cơ hội kinh doanh mới. Thị trường dĩa sinh học đang phát triển mạnh mẽ.

1.2. Tổng quan về nghiên cứu và lựa chọn vật liệu

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trên thế giới về dĩa compostable, dĩa phân hủy sinh học, và dĩa từ nguyên liệu tái chế. Các sản phẩm dĩa từ nguyên liệu tái chế như mo cau, bột mì, và lá cây đã được sản xuất, nhưng quy mô còn nhỏ. Nghiên cứu này tập trung vào việc lựa chọn vật liệu thân thiện môi trường phù hợp cho sản xuất hàng loạt. Lá chuối, bìa carton tái chế, và bột năng được lựa chọn do sự sẵn có, giá thành thấp, và khả năng phân hủy sinh học. Nguyên liệu sản xuất dĩa sinh học cần đáp ứng các tiêu chuẩn về an toàn thực phẩm và độ bền. Tiêu chuẩn chất lượng dĩa thân thiện môi trường được đặt ra để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Quá trình sản xuất dĩa tự động được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu lãng phí. Cơ sở lý thuyết về vật liệu và kỹ thuật chế tạo được áp dụng trong nghiên cứu. Tính toán thiết kế máy được thực hiện để đảm bảo độ bền và khả năng vận hành ổn định. Mác thép được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo độ bền của khung máy. Giá thành máy làm dĩa tự động được tối ưu hóa.

II. Thiết kế và chế tạo máy

Phần này trình bày chi tiết về thiết kế máy làm dĩa tự động. Kết cấu máy bao gồm khung máy, khuôn ép, hệ thống truyền động, và hệ thống điều khiển. Khung máy được thiết kế chắc chắn và bền bỉ. Khuôn ép được thiết kế để tạo hình dĩa chính xác. Cơ cấu truyền động đảm bảo quá trình vận hành trơn tru. Hệ thống điều khiển tự động hóa toàn bộ quá trình sản xuất. Máy móc sản xuất dĩa được mô phỏng trên phần mềm Solidworks để tối ưu hóa thiết kế. Quy trình sản xuất dĩa tự động được mô tả cụ thể. Giải pháp sản xuất dĩa tự động được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu quả và bền vững.

2.1. Thiết kế khung máy và hệ thống truyền động

Khung máy được làm từ thép có độ bền cao. Thiết kế đảm bảo độ cứng vững và chịu được lực ép lớn. Tính toán độ bền khung máy được thực hiện để đảm bảo an toàn. Cơ cấu truyền động sử dụng động cơ bước và hệ thống dây đai. Lựa chọn động cơ được dựa trên yêu cầu về tốc độ và mô-men xoắn. Cơ cấu hút vật liệu và hệ thống lấy sản phẩm được thiết kế hiệu quả. Cơ cấu quét chất kết dính đảm bảo lớp kết dính đồng đều trên bề mặt dĩa. Thiết kế khuôn ép đảm bảo tạo hình dĩa chính xác và hiệu quả. Lựa chọn xy lanh khí nén phù hợp với lực ép cần thiết. Tính toán và chọn hệ thống gia nhiệt cho khuôn đảm bảo chất lượng dĩa. Chọn động cơ cho cơ cấu truyền đai là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế. Giải pháp sản xuất dĩa được tối ưu hóa để đảm bảo tính kinh tế và hiệu quả.

2.2. Thiết kế hệ thống điều khiển và phần mềm

Hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển Arduino. Thiết kế mạch điện đảm bảo an toàn và hiệu quả. Phần mềm điều khiển được lập trình để tự động hóa toàn bộ quy trình. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển được mô tả rõ ràng. Bộ nguồn tổ ong cung cấp điện cho hệ thống điều khiển. Thành phần Arduino Mega 2560 là bộ xử lý trung tâm. Sơ đồ đấu dây mạch điều khiển động cơ bước TB6600 đảm bảo hoạt động chính xác của động cơ. Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ đảm bảo nhiệt độ khuôn được duy trì ổn định. Relay bán dẫn SSR được sử dụng để điều khiển thiết bị gia nhiệt. Sơ đồ kết nối bộ điều khiển nhiệt độ được mô tả cụ thể. Bộ điều khiển nhiệt độ RKC REX-C100 được sử dụng để điều chỉnh nhiệt độ. Máy làm dĩa tự động được điều khiển thông qua giao diện người dùng đơn giản và dễ sử dụng.

III. Thử nghiệm và đánh giá

Phần này trình bày kết quả thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của máy làm dĩa tự động. Sản phẩm máy tự động được vận hành thử nghiệm và đánh giá. Đánh giá hiệu quả dựa trên năng suất, chất lượng sản phẩm, và độ bền. Năng suất máy đạt được được ghi nhận và phân tích. Chất lượng dĩa được kiểm tra về độ bền, khả năng chống thấm, và tính thẩm mỹ. Độ bền của dĩa được đánh giá thông qua các thử nghiệm. Phân tích chi phí sản xuất giúp đánh giá tính kinh tế của giải pháp. Kết quả nghiên cứu cho thấy máy tự động làm dĩa ăn có hiệu quả và khả năng ứng dụng thực tiễn cao.

3.1. Kết quả thử nghiệm và phân tích

Các thử nghiệm được thực hiện để đánh giá hiệu quả của máy làm dĩa tự động. Năng suất của máy đạt được được so sánh với năng suất của phương pháp thủ công. Chất lượng dĩa được đánh giá về độ bền, khả năng chống thấm, và tính thẩm mỹ. Thời gian phân hủy sinh học của dĩa được đo đạc. Kết quả thử nghiệm được phân tích để đánh giá hiệu quả của vật liệu thân thiện môi trường và thiết kế máy. So sánh với dĩa nhựa cho thấy sự vượt trội về mặt môi trường. Tốc độ sản xuất dĩa được ghi nhận và phân tích. Hiệu quả kinh tế của giải pháp được đánh giá dựa trên chi phí sản xuất và giá bán. Phân tích chu kỳ sống của dĩa giúp đánh giá toàn diện tác động môi trường. Đánh giá tác động môi trường của giải pháp được đưa ra dựa trên kết quả phân tích.

3.2. Kết luận và đề xuất

Nghiên cứu cho thấy máy tự động làm dĩa ăn từ vật liệu thân thiện môi trường có hiệu quả cao và tiềm năng ứng dụng thực tiễn lớn. Giải pháp này góp phần giải quyết vấn đề rác thải nhựa và bảo vệ môi trường. Đề xuất tiếp tục nghiên cứu để cải thiện hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Đề xuất mở rộng quy mô sản xuất để đáp ứng nhu cầu thị trường. Đề xuất nghiên cứu các loại vật liệu thân thiện môi trường mới. Đề xuất hợp tác với các doanh nghiệp để thương mại hóa sản phẩm. Định hướng cải tiến máy móc và quy trình sản xuất. Cơ hội kinh doanh dĩa thân thiện môi trường rất tiềm năng. Tài liệu tham khảo được liệt kê đầy đủ.

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm rác thải nhựa đang trở thành vấn đề cấp bách toàn cầu với khoảng 12,7 triệu tấn chất thải nhựa đổ ra biển mỗi năm, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái biển và sức khỏe con người. Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng các sản phẩm nhựa dùng một lần như ly, tô, dĩa, hộp đựng thức ăn ngày càng tăng cao do nhịp sống phát triển nhanh, dẫn đến lượng rác thải rắn tăng lên đáng kể. Việc thay thế các sản phẩm nhựa bằng vật liệu thân thiện môi trường là một giải pháp thiết thực nhằm giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ môi trường.

Luận văn tập trung vào việc tính toán, thiết kế và chế tạo máy tự động làm dĩa ăn từ vật liệu thân thiện môi trường, cụ thể là sử dụng lá chuối, bìa carton và bột năng làm nguyên liệu chính. Mục tiêu chính là phát triển sản phẩm dĩa ăn dùng một lần có khả năng phân hủy nhanh, an toàn cho sức khỏe và thân thiện với môi trường, đồng thời thiết kế máy móc tự động hóa quy trình sản xuất với năng suất khoảng 80 cái/giờ. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thử nghiệm vật liệu, thiết kế cơ khí và điều khiển máy tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong năm 2020.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc góp phần giảm thiểu rác thải nhựa, thúc đẩy phát triển sản phẩm sinh học tái chế, đồng thời nâng cao hiệu quả sản xuất công nghiệp thân thiện môi trường tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết vật liệu sinh học: Nghiên cứu đặc tính vật liệu tự nhiên như lá chuối, bìa carton và bột năng, tập trung vào khả năng phân hủy sinh học, độ bền cơ học và tính kết dính khi gia nhiệt.
• Mô hình thiết kế cơ khí máy ép dập: Áp dụng các nguyên lý thiết kế khuôn dập vuốt, tính toán lực ép, hệ số dập, khe hở khuôn, và lựa chọn vật liệu thép dụng cụ SKD11 cho khuôn ép.
• Lý thuyết điều khiển tự động: Sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ kỹ thuật số RKC REX-C100 và mạch điều khiển động cơ bước Arduino Mega 2560 để điều khiển quá trình gia nhiệt và vận hành máy tự động.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số dập vuốt, lực dập, góc đàn hồi sau uốn, khe hở khuôn, và tính chất vật liệu thân thiện môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Tổng hợp tài liệu chuyên ngành về vật liệu sinh học, thiết kế máy ép, và điều khiển tự động từ sách, báo, internet và các nghiên cứu trong nước, quốc tế.
• Phương pháp chọn mẫu: Thử nghiệm nhiều loại vật liệu tự nhiên và tái chế như lá chuối, bìa carton, bột năng, mo cau, bã mía để lựa chọn vật liệu phù hợp nhất dựa trên tiêu chí thân thiện môi trường, độ bền và khả năng ép tạo hình.
• Phương pháp phân tích: Tính toán lực ép, hệ số dập, thiết kế khuôn và khung máy dựa trên các công thức kỹ thuật, mô phỏng trên phần mềm Solidworks, và kiểm nghiệm thực tế.
• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu và thử nghiệm vật liệu (3 tháng), thiết kế và mô phỏng máy (4 tháng), chế tạo và lắp ráp máy (3 tháng), vận hành thử nghiệm và đánh giá (2 tháng).

Quá trình nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm nhằm đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của sản phẩm và máy móc.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Lựa chọn vật liệu thân thiện môi trường: Lá chuối, bìa carton và bột năng được xác định là vật liệu phù hợp nhất. Lá chuối có độ dẻo dai, bề mặt trơn nhẵn, dễ phân hủy trong tự nhiên, giá thành thấp và mang giá trị văn hóa cao. Bìa carton có độ cứng, bền, nhẹ và khả năng tái chế tốt. Bột năng có tính kết dính cao khi gia nhiệt, giúp liên kết các lớp vật liệu hiệu quả.

2. Thiết kế khuôn ép và lực dập: Kích thước phôi được chọn là 200x200 mm với hệ số dập vuốt m = 0,45, lực dập tính toán khoảng 9420 N, đảm bảo ép thành công sản phẩm dĩa có đường kính 150 mm và độ dày 2 mm. Khe hở khuôn được thiết kế là 1,32 mm để giảm ma sát và đảm bảo chất lượng sản phẩm.

3. Chế tạo và kiểm nghiệm khung máy: Khung máy sử dụng thép hộp 30x30x1,7 mm, chịu tải trọng tổng cộng 283 kg, đảm bảo độ bền với ứng suất uốn tối đa nhỏ hơn giới hạn chảy của thép CT34 (230 N/mm²). Máy có năng suất khoảng 80 cái dĩa/giờ, vận hành ổn định.

4. Hệ thống điều khiển và gia nhiệt: Bộ điều khiển nhiệt độ RKC REX-C100 và relay SSR được sử dụng để duy trì nhiệt độ khuôn ổn định, giúp bột năng kết dính tốt. Mạch điều khiển Arduino Mega 2560 điều khiển động cơ bước và các cơ cấu truyền động, đảm bảo tự động hóa quy trình sản xuất.

Thảo luận kết quả

Việc lựa chọn vật liệu lá chuối kết hợp bìa carton và bột năng đã khắc phục được nhược điểm của các vật liệu khác như mo cau (khó khai thác, giá cao) hay bã mía (phức tạp trong sơ chế). Kết quả thử nghiệm cho thấy sản phẩm dĩa có độ bền và khả năng chống thấm tốt, phù hợp sử dụng cho thức ăn nóng và lạnh, đồng thời phân hủy nhanh trong môi trường tự nhiên.

Thiết kế khuôn và máy ép khí nén đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật với lực ép và hành trình xy lanh phù hợp, đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng đều. So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, máy tự động này có ưu điểm về chi phí thấp, dễ vận hành và thân thiện môi trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lực dập theo hành trình xy lanh, bảng so sánh đặc tính vật liệu và biểu đồ ứng suất uốn của khung máy để minh họa tính toán độ bền.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Mở rộng nghiên cứu vật liệu: Tiếp tục thử nghiệm các loại vật liệu sinh học khác như vỏ ngô, lá sen để đa dạng hóa nguồn nguyên liệu, nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm.

2. Cải tiến thiết kế máy: Nâng cấp hệ thống điều khiển tự động, tích hợp cảm biến áp suất và nhiệt độ để tối ưu hóa quá trình ép, nâng cao năng suất lên 150 cái/giờ trong vòng 1 năm tới.

3. Phát triển quy trình sản xuất quy mô lớn: Hợp tác với các doanh nghiệp sản xuất vật liệu sinh học để triển khai sản xuất công nghiệp, giảm chi phí và tăng khả năng tiếp cận thị trường.

4. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo vận hành máy cho các cơ sở sản xuất nhỏ và vừa, thúc đẩy ứng dụng rộng rãi công nghệ thân thiện môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường, cơ điện tử: Nghiên cứu về vật liệu sinh học, thiết kế máy tự động và ứng dụng công nghệ thân thiện môi trường.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu sinh học và thiết bị công nghiệp: Áp dụng công nghệ chế tạo máy ép tự động và phát triển sản phẩm thân thiện môi trường.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo giải pháp giảm thiểu rác thải nhựa, thúc đẩy sản phẩm thay thế thân thiện môi trường.

4. Tổ chức phi chính phủ và cộng đồng bảo vệ môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để tuyên truyền, nâng cao nhận thức và hỗ trợ các dự án phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy tự động làm dĩa ăn này có thể sử dụng loại vật liệu nào?
   Máy được thiết kế để ép các vật liệu thân thiện môi trường như lá chuối, bìa carton và bột năng. Các vật liệu này có đặc tính kết dính tốt khi gia nhiệt và dễ phân hủy sinh học.

2. Năng suất của máy là bao nhiêu?
   Máy có năng suất khoảng 80 cái dĩa/giờ, phù hợp với quy mô sản xuất nhỏ và vừa. Có thể nâng cấp để tăng năng suất trong tương lai.

3. Sản phẩm dĩa ăn có an toàn cho sức khỏe không?
   Sản phẩm không chứa hóa chất độc hại, sử dụng vật liệu tự nhiên và keo kết dính an toàn thực phẩm, đảm bảo vệ sinh và an toàn khi sử dụng.

4. Thời gian phân hủy của dĩa ăn làm từ vật liệu này là bao lâu?
   Dĩa ăn làm từ lá chuối và bìa carton có thể phân hủy trong vòng vài tuần đến vài tháng tùy điều kiện môi trường, nhanh hơn nhiều so với nhựa truyền thống.

5. Máy có thể tự động hóa toàn bộ quy trình sản xuất không?
   Máy được thiết kế với hệ thống điều khiển tự động, bao gồm cơ cấu truyền động, quét chất kết dính và gia nhiệt, giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người trong quá trình sản xuất.

Kết luận

• Đã thành công trong việc lựa chọn và thử nghiệm vật liệu thân thiện môi trường gồm lá chuối, bìa carton và bột năng để sản xuất dĩa ăn dùng một lần.
• Thiết kế và chế tạo máy tự động ép dập khí nén với lực ép 9420 N, hành trình xy lanh 200 mm, đảm bảo chất lượng sản phẩm và năng suất 80 cái/giờ.
• Khung máy sử dụng thép hộp 30x30x1,7 mm, chịu tải trọng 283 kg, đảm bảo độ bền và ổn định trong vận hành.
• Hệ thống điều khiển nhiệt độ và động cơ bước được tích hợp hiệu quả, giúp tự động hóa quy trình sản xuất.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu vật liệu, cải tiến máy và phát triển sản xuất quy mô lớn trong thời gian tới.

Luận văn mở ra hướng đi mới cho sản xuất vật dụng thân thiện môi trường tại Việt Nam, kêu gọi các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp cùng hợp tác phát triển bền vững.