Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp nhựa toàn cầu dự kiến đạt sản lượng 412 triệu tấn vào năm 2022, với tốc độ tăng trưởng trung bình 3,4% mỗi năm trong giai đoạn 2017–2022. Tại Việt Nam, ngành nhựa có tốc độ tăng trưởng nhanh hơn thế giới, đạt trung bình 11,6% mỗi năm từ 2012 đến 2017, với quy mô ước tính 15 tỷ USD năm 2017, chiếm khoảng 6,7% GDP. Trong bối cảnh đó, việc phát triển công nghệ ép phun micro nhằm sản xuất các chi tiết nhựa kích thước nhỏ với độ chính xác cao là một hướng đi quan trọng để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm sự phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu chế tạo mô đun hóa lỏng nhựa cho máy phun ép micro, nhằm tạo ra hệ thống cấp nhựa tối ưu cho sản phẩm micro, kết hợp với máy phun ép micro để tạo thành máy ép hoàn chỉnh. Mục tiêu cụ thể bao gồm thiết kế thân máy giảm giá thành, chế tạo máy có khả năng vận hành và phun ép các sản phẩm kích thước nhỏ. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vật liệu nhựa PP và ABS trong khuôn ép sản phẩm micro tại Việt Nam, trong bối cảnh ngành nhựa trong nước đang phát triển mạnh mẽ và có nhu cầu cao về công nghệ sản xuất tiên tiến.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao năng lực sản xuất trong nước, giảm chi phí đầu tư, đồng thời góp phần phát triển ngành công nghiệp chế tạo máy và công nghiệp nhựa Việt Nam, đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước và xuất khẩu.

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:

  • Công nghệ ép phun micro: Quá trình phun ép micro sản xuất chi tiết nhựa trọng lượng từ 0,1 đến 1 g với dung sai 10–100 micron, cho phép tạo hình các chi tiết nhỏ phức tạp với độ chính xác cao. Cấu tạo máy ép phun gồm 5 hệ thống cơ bản: hệ thống hỗ trợ ép phun, hệ thống phun, hệ thống kẹp, hệ thống khuôn và hệ thống điều khiển.

  • Lý thuyết truyền nhiệt và vật liệu nhựa: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ sấy, nhiệt độ nóng chảy và đặc tính vật liệu nhựa (PP, ABS) đến quá trình ép phun, nhằm đảm bảo nhựa được hóa lỏng và phun ép hiệu quả, tránh các lỗi sản phẩm do nhiệt độ không phù hợp.

  • Động cơ bước (Stepper motor): Động cơ bước được sử dụng trong hệ thống điều khiển chuyển động trục vít, với các loại động cơ bước nam châm vĩnh cửu, biến từ trở và hỗn hợp, giúp điều khiển chính xác vị trí và tốc độ trục vít trong quá trình ép phun.

  • Thuật toán điều khiển nhiệt độ PID – SSR: Sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ PID kết hợp relay bán dẫn SSR để duy trì nhiệt độ gia nhiệt ổn định, tránh quá nhiệt và đảm bảo chất lượng nhựa hóa lỏng.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ thống phun ép micro, vật liệu nhựa nhiệt dẻo (PP, ABS), động cơ bước, điều khiển nhiệt độ PID, và quá trình hóa lỏng nhựa.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ tài liệu chuyên ngành về công nghệ ép phun, vật liệu nhựa, động cơ bước và điều khiển nhiệt độ; dữ liệu thực nghiệm từ quá trình chế tạo và thử nghiệm mô đun hóa lỏng nhựa.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích kỹ thuật thiết kế mô đun, mô phỏng gia nhiệt trên phần mềm PTC Creo Parametric 6, tính toán nhiệt độ sấy và nhiệt độ phun ép phù hợp với vật liệu PP và ABS. Thí nghiệm gia nhiệt và ép phun để đánh giá hiệu quả mô đun.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô đun được chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh, thử nghiệm trên máy phun ép micro với các sản phẩm nhựa micro kích thước nhỏ. Lựa chọn vật liệu PP và ABS do tính phổ biến và đặc tính phù hợp.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu và thiết kế trong 6 tháng đầu, gia công và lắp ráp trong 3 tháng tiếp theo, thử nghiệm và chỉnh sửa trong 3 tháng cuối năm 2021.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và thực tiễn, nhằm đạt được mục tiêu chế tạo mô đun hóa lỏng nhựa hiệu quả, có khả năng ứng dụng cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế mô đun hóa lỏng nhựa thành công: Mô đun được thiết kế tối ưu về thân máy, giúp giảm giá thành khoảng 40% so với các máy ép phun truyền thống có công suất lớn hơn. Việc sử dụng động cơ bước điều khiển trục vít giúp kiểm soát chính xác thể tích nhựa phun vào khuôn, nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Lựa chọn vật liệu phù hợp: Vật liệu PP và ABS được xác định là phù hợp cho sản phẩm micro nhờ đặc tính hút ẩm thấp (PP) và tính đàn hồi tốt (ABS). Nhiệt độ sấy và nhiệt độ phun ép được điều chỉnh theo bảng tiêu chuẩn, ví dụ PP sấy ở 110°C trong 2–3 giờ, nhiệt độ phun 250–270°C; ABS sấy ở 80°C trong 2–3 giờ, nhiệt độ phun 210–275°C.

  3. Ứng dụng thuật toán điều khiển nhiệt độ PID – SSR hiệu quả: Hệ thống điều khiển nhiệt độ giúp duy trì nhiệt độ gia nhiệt ổn định, tránh hiện tượng quá nhiệt hoặc nhiệt độ không đủ, giảm thiểu lỗi sản phẩm như vệt trắng, bọt khí, hoặc biến dạng kích thước.

  4. Khả năng vận hành và phun ép sản phẩm micro: Mô đun cho phép vận hành ổn định, phun ép các chi tiết nhựa micro với dung sai kích thước trong khoảng 10–100 micron, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và chất lượng sản phẩm.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng công nghệ ép phun micro kết hợp mô đun hóa lỏng nhựa được thiết kế tối ưu giúp giảm chi phí sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm. So với các nghiên cứu trong ngành, việc sử dụng động cơ bước và thuật toán PID – SSR trong điều khiển nhiệt độ là điểm mới, giúp cải thiện độ chính xác và ổn định quá trình ép phun.

Số liệu thực nghiệm cho thấy nhiệt độ sấy và phun ép phù hợp với từng loại nhựa là yếu tố quyết định chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm tỷ lệ phế phẩm. Việc lựa chọn vật liệu PP và ABS phù hợp với sản phẩm micro cũng góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nhiệt độ phun ép theo thời gian, bảng so sánh tỷ lệ lỗi sản phẩm trước và sau khi áp dụng mô đun, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của nghiên cứu.

Tuy nhiên, do ảnh hưởng của dịch bệnh, nhóm nghiên cứu chưa hoàn thành phần thử nghiệm mở rộng, đây là hạn chế cần khắc phục trong các nghiên cứu tiếp theo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất thử nghiệm quy mô nhỏ: Thực hiện sản xuất thử nghiệm với mô đun hóa lỏng nhựa trên dây chuyền máy phun ép micro trong vòng 6 tháng, nhằm đánh giá hiệu quả thực tế và điều chỉnh quy trình vận hành. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp sản xuất nhựa và trung tâm nghiên cứu.

  2. Nâng cấp hệ thống điều khiển tự động: Áp dụng công nghệ điều khiển vi bước (Microstep) cho động cơ bước để tăng độ chính xác và giảm rung động trong quá trình vận hành, dự kiến hoàn thành trong 12 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm kỹ thuật và nhà cung cấp thiết bị.

  3. Đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ ép phun micro và vận hành mô đun hóa lỏng nhựa cho kỹ thuật viên trong 3 tháng, nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo trì thiết bị. Chủ thể thực hiện: trường đại học và doanh nghiệp.

  4. Mở rộng nghiên cứu vật liệu mới: Nghiên cứu ứng dụng các loại nhựa kỹ thuật cao như PEEK, LCP trong ép phun micro để đa dạng hóa sản phẩm, dự kiến nghiên cứu trong 18 tháng tiếp theo. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu và trường đại học.

Các giải pháp trên nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh cho ngành công nghiệp nhựa Việt Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất nhựa và chế tạo máy: Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển máy phun ép micro, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

  2. Trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ: Tham khảo để phát triển các công nghệ ép phun micro mới, cải tiến thiết bị và quy trình sản xuất.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy, công nghệ chế tạo máy: Sử dụng luận văn làm tài liệu học tập, nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ ép phun và điều khiển động cơ bước.

  4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách công nghiệp: Đánh giá tiềm năng phát triển ngành công nghiệp nhựa trong nước, xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ sản xuất tiên tiến.

Mỗi nhóm đối tượng sẽ nhận được lợi ích cụ thể như nâng cao năng lực sản xuất, phát triển công nghệ, đào tạo nguồn nhân lực và hoạch định chiến lược phát triển ngành.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy phun ép micro khác gì so với máy ép phun thông thường?
    Máy phun ép micro chuyên sản xuất các chi tiết nhựa trọng lượng từ 0,1 đến 1 g với dung sai 10–100 micron, cho độ chính xác cao hơn và phù hợp với sản phẩm kích thước nhỏ, trong khi máy ép phun thông thường dùng cho sản phẩm lớn hơn với dung sai rộng hơn.

  2. Tại sao phải sấy nhựa trước khi ép phun?
    Sấy nhựa giúp loại bỏ độ ẩm trong hạt nhựa, tránh hiện tượng thủy phân khi nhựa nóng chảy, giảm lỗi sản phẩm như vệt trắng, bọt khí và tăng độ bền cơ học của sản phẩm.

  3. Động cơ bước có vai trò gì trong máy phun ép micro?
    Động cơ bước điều khiển chính xác vị trí và tốc độ trục vít, giúp kiểm soát thể tích nhựa phun vào khuôn, nâng cao chất lượng và độ đồng đều sản phẩm.

  4. Thuật toán điều khiển nhiệt độ PID – SSR hoạt động như thế nào?
    Thuật toán PID điều khiển nhiệt độ dựa trên phản hồi nhiệt độ thực tế, kết hợp relay bán dẫn SSR để gia nhiệt nhanh và ổn định, tránh quá nhiệt hoặc nhiệt độ thấp ảnh hưởng đến chất lượng nhựa hóa lỏng.

  5. Làm thế nào để giảm chi phí sản xuất máy phun ép micro?
    Thiết kế thân máy tối ưu, sử dụng vật liệu và linh kiện phù hợp, áp dụng công nghệ điều khiển hiện đại như động cơ bước và thuật toán PID giúp giảm chi phí bảo trì, năng lượng và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công mô đun hóa lỏng nhựa cho máy phun ép micro, giảm giá thành khoảng 40% so với máy truyền thống.
  • Lựa chọn vật liệu PP và ABS phù hợp với sản phẩm micro, đảm bảo chất lượng và hiệu quả sản xuất.
  • Ứng dụng động cơ bước và thuật toán điều khiển nhiệt độ PID – SSR giúp kiểm soát chính xác quá trình ép phun.
  • Kết quả nghiên cứu có tính thực tiễn cao, góp phần nâng cao năng lực sản xuất trong nước và giảm sự phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu.
  • Đề xuất triển khai sản xuất thử nghiệm, nâng cấp hệ thống điều khiển và đào tạo nhân lực để phát huy tối đa hiệu quả nghiên cứu.

Tiếp theo, cần hoàn thiện phần thử nghiệm mở rộng và nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới để nâng cao tính đa dạng và chất lượng sản phẩm. Mời các doanh nghiệp và trung tâm nghiên cứu hợp tác ứng dụng kết quả nghiên cứu nhằm phát triển ngành công nghiệp nhựa Việt Nam bền vững.