Đồ án: Thiết kế và chế tạo mô hình máy in thông tin sản phẩm trên chai nhựa

Tìm hiểu đồ án thiết kế và chế tạo mô hình máy in thông tin sản phẩm trên chai nhựa, bao gồm quy trình tính toán, thi công cơ khí, điện và mô phỏng.

• Tác giả: Trịnh Duy Tùng
• Người hướng dẫn: Ths. Lê Hoài
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế và chế tạo mô hình máy in thông tin sản phẩm trên chai nhựa tối ưu
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình máy in thông tin sản phẩm trên chai nhựa

Mô hình máy in thông tin sản phẩm trên chai nhựa đại diện cho một bước tiến đáng kể trong ngành công nghiệp đóng gói và sản xuất. Với sự phát triển của các công nghệ tự động hóa và điều khiển hiện đại, các doanh nghiệp đã nhận ra tầm quan trọng của khâu in thông tin sản phẩm trong dây chuyền sản xuất. Mô hình máy in lụa tự động không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng in ấn đồng nhất trên mỗi sản phẩm. Giải pháp này đặc biệt hữu ích cho các doanh nghiệp sử dụng chai nhựa PP và PET, giúp tối ưu hóa quy trình gia công và giảm chi phí sản xuất. Sự kết hợp giữa cơ khí và điều khiển tự động tạo nên một hệ thống hiệu quả, góp phần phát triển công nghệ sản xuất tại Việt Nam.

1.1. Ý nghĩa của in thông tin sản phẩm trong sản xuất hiện đại

Khâu in thông tin sản phẩm là yếu tố quan trọng giúp xác định nguồn gốc, hạn sử dụng và hướng dẫn sử dụng cho người tiêu dùng. Mô hình máy in giúp tự động hóa quá trình này, nâng cao tốc độ sản xuất từ 50-100 chai/phút. Với công nghệ mực in nước gốc (water-based ink) hoặc mực in gốc dầu, chất lượng in được đảm bảo tốt trên cả chai nhựa PP và PET. Điều này giảm thiểu lỗi in, tăng độ chính xác và cải thiện hình ảnh thương hiệu sản phẩm trên thị trường.

1.2. Ứng dụng công nghệ tự động hóa trong in chai nhựa

Hệ thống in lụa tự động áp dụng công nghệ điều khiển CNC và cảm biến thông minh để điều chỉnh vị trí chai, áp lực in và nhiệt độ sấy mực. Cơ cấu đẩy chai nhựa qua băng tải được điều khiển chính xác bằng động cơ servo, đảm bảo khoảng cách in đều. Cụm gạt mực với dao gạt chuyên dụng giúp in ấn sắc nét, rõ ràng. Xy lanh khí nén kẹp chai nhựa vững chắc, tránh trượt trong quá trình in.

II. Thiết kế mô hình máy in thông tin sản phẩm Các thành phần chính

Mô hình máy in thông tin sản phẩm trên chai nhựa bao gồm nhiều thành phần cơ khí và điện tử phối hợp chặt chẽ. Hệ thống băng tải đóng vai trò vận chuyển chai nhựa từ đầu vào đến vị trí in, sau đó đến khúc sấy mực. Cộng cấu in lụa gồm khung in, cụm gạt mực và bệ đỡ được thiết kế để duy trì góc in phù hợp. Bộ phận gia nhiệt sử dụng mức nhiệt độ tối ưu để làm khô mực nhanh chóng, thường từ 60-100°C tùy loại mực. Hệ thống điều khiển sử dụng PLC hoặc vi điều khiển để tự động điều chỉnh các thông số, đảm bảo mỗi sản phẩm đều được in chính xác theo yêu cầu.

2.1. Hệ thống băng tải và cơ cấu vận chuyển

Băng tải được thiết kế với vận tốc 10-50m/phút, điều khiển bởi động cơ cảm ứng có công suất phù hợp. Cơ cấu đẩy chai định vị chính xác vị trí in bằng cảm biến quang hoặc cảm biến gần. Khớp nối truyền lực từ động cơ đến trục băng tải, đảm bảo truyền động ổn định không trượt. Vật liệu bánh xe và dây curoa được chọn để chịu tải trọng chai nhựa đầy nước hoặc dung dịch.

2.2. Cụm in lụa và bộ phận gia nhiệt

Khung in lụa cố định trên bệ đỡ chắc chắn, giữ vải lụa căng đều và vuông góc với chai. Dao gạt mực được điều chỉnh áp lực 2-5kg/cm² để đưa mực vào vải lụa mà không làm hỏng. Bộ gia nhiệt sử dụng mặt sấy hoặc hồng ngoại, giúp mực khô trong 2-5 giây. Mực in nước hoặc mực gốc dầu được lựa chọn phù hợp với loại chai và yêu cầu chất lượng in.

III. Quá trình thiết kế và tối ưu hóa hệ thống

Quá trình thiết kế mô hình máy in thông tin sản phẩm tuân theo các nguyên tắc kỹ thuật cơ học và điều khiển tự động. Đầu tiên, nhóm thiết kế xác định yêu cầu kỹ thuật như sản lượng dự kiến (50-100 chai/phút), kích thước chai (từ 200ml đến 2 lít), và loại mực in sử dụng. Tiếp theo, mô hình 3D được xây dựng bằng phần mềm CAD để mô phỏng chuyển động và kiểm tra ứng suất trên từng chi tiết. Tính toán thiết kế bao gồm chọn động cơ, băng tải, khớp nối và lực gạt mực phù hợp với các thông số hoạt động. Sau đó, mô phỏng ứng suất được thực hiện để đảm bảo các chi tiết chính chịu được tải trọng trong thời gian dài.

3.1. Yêu cầu kỹ thuật và thông số thiết kế

Sản lượng tối ưu của mô hình đạt 60-80 chai/phút, đủ cho các doanh nghiệp nhỏ và vừa. Chiều dài băng tải được tính toán để đảm bảo thời gian in (10-15 giây) và sấy mực (5-10 giây). Lực kẹp xy lanh được chọn 50-100N để giữ chai vững mà không làm biến dạng. Áp lực gạt mực được tối ưu 3-4kg/cm² để đạt chất lượng in cao nhất mà vẫn bảo vệ vải lụa.

3.2. Mô phỏng và kiểm nghiệm hệ thống

Mô phỏng 3D sử dụng phần mềm ANSYS hoặc SolidWorks giúp kiểm tra ứng suất trên trục và bệ đỡ. Phân tích động học đảm bảo vị trí chai không bị lệch khi di chuyển trên băng tải. Kiểm nghiệm nhiệt độ xác định cài đặt gia nhiệt tối ưu để mực khô nhanh nhưng không cháy vải. Thử nghiệm chất lượng in trên các loại chai khác nhau xác nhận độ chính xác định vị và chất lượng hình ảnh.

IV. Kết quả đạt được và hướng phát triển

Mô hình máy in thông tin sản phẩm trên chai nhựa được hoàn thành với các kết quả nổi bật. Đội ngũ thiết kế đã thành công trong việc tối ưu hóa hệ thống in để đạt chất lượng in cao, tốc độ nhanh và độ chính xác cao. Hệ thống điều khiển được lập trình để tự động điều chỉnh thông số in dựa trên kích thước và loại chai nhựa. Tinh toán chi phí cho thấy mô hình có khả năng tay lắp ráp với chi phí vật liệu hợp lý, phù hợp cho các doanh nghiệp nhỏ. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm nâng cấp hệ thống điều khiển với công nghệ AI, tăng sản lượng lên 150-200 chai/phút, và mở rộng ứng dụng cho các loại sản phẩm khác như lon nhựa, hộp carton.

4.1. Thành tựu chính của đề tài nghiên cứu

Mô hình được thi công thành công với đầy đủ các bộ phận cơ khí và điện tử. Chất lượng in đạt tiêu chuẩn công nghiệp, độ chính xác định vị ±2mm. Tốc độ sản xuất ổn định ở 60-80 chai/phút, đáp ứng nhu cầu thực tiễn. Hệ thống điều khiển hoạt động ổn định, cho phép điều chỉnh thông số mực, nhiệt độ sấy và áp lực in qua giao diện đơn giản. Chi phí bảo trì thấp, các chi tiết dễ thay thế.

4.2. Phương hướng cải tiến và ứng dụng mở rộng

Hướng phát triển tiếp theo tập trung vào tự động hóa toàn bộ dây chuyền từ định hướng chai đến đóng gói. Tích hợp công nghệ IoT cho phép giám sát từ xa và dự báo bảo trì. Nâng cấp hệ thống in với đầu in UV để in những hình ảnh phức tạp hơn. Mở rộng ứng dụng cho in trên các sản phẩm hình dạng khác như túi, hộp, lon. Giảm lượng khí thải bằng cách sử dụng mực sinh học, thân thiện với môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1. Tổng quan về hệ thống in chai nhựa Hiện nay, hầu hết các sản phẩm chúng ta sử dụng hàng ngày đều có sự góp phần của công nghệ in ấn. Không những mang lại khả năng trao đổi thông tin nhanh chóng mà công nghệ in ấn còn góp phần tô điểm cho cuộc sống thêm rực rỡ và sinh động hơn. Có thể kể ra một vài ví dụ sau: chai lọ thuỷ tinh, lon nước ngọt, áp phích quảng cáo, đĩa hát, bao bì bánh kẹo, túi xách, thùng giấy carton, quần áo, sách báo, sản phẩm sành sứ, nhựa, kim loại.

Vì thế nhu cầu in ấn trong cuộc sống rất lớn và cần thiết. Công nghệ in ấn từ đó cũng phát triển mạnh và đa dạng theo. Hiện nay, trên thế giới có nhiều công nghệ in ấn khác nhau, nhưng mỗi loại chỉ áp dụng được trong một phạm vi nhất định và có những ưu nhược điểm riêng. Do đó tuỳ vào nhu cầu sử dụng mà người dùng sẽ chọn một công nghệ thích hợp.

In lụa nhựa là một kỹ thuật in ấn có sử dụng khuôn in. Khuôn này dùng để định vị hình in sau đó sẽ có thanh gạt để tán đều mực in lên bề mặt thông qua tấm lưới in. 1: In lụa 1 In lụa là kỹ thuật sử dụng khuôn và lưới in để sao chép hình ảnh xuống vật liệu In lụa (in lưới) là một phương pháp in thủ công đã xuất hiện từ vài thế kỷ trước nhưng cho đến nay vẫn rất phổ biến do có những ưu điểm sau: - Dễ tổ chức, có thể tiến hành được ở quy mô gia đình cũng như quy mô xí nghiệp. - In được những sản phẩm có kích thước bất kì, kể cả những mẫu nhỏ.

- In được những họa tiết tinh tế. - Có thể tùy ý thiết kế thông tin, màu sắc in. - Có thể thành công cụ đắc lực cho quảng cáo sản phẩm. - In lụa có khả năng đáp ứng được nhiều yêu cầu về mỹ thuật cũng như trên hầu hết các vật liệu khác nhau như: in nylon, vải, mặt đồng hồ, mạch điện tử, kim loại, gỗ, giấy, ….

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhu cầu ngày càng đa dạng trong lĩnh vực in lụa và để đáp ứng nhu cầu thị hiếu thì việc in lụa thủ công đã dần được cơ giới hóa, tự động hóa. Quá trình tự động hóa đã và sẽ tạo ra nhiều dạng máy in lụa có năng suất cao, ổn định hơn so với phương pháp in thủ công. Không chỉ vậy, máy in lụa còn cho sản phẩm có chất lượng cao, đồng đều hơn. 2: Phân bố sản xuất công nghiệp nhựa ở nước ta.

2 Hiện nay, việc in thông tin sản phẩm trực tiếp trên chai nhựa đang rất phát triển vì những ưu diểm của nó. Và với việc khối lượng sử dụng nhựa ở Châu Á và trên thế giới rất lớn. Cho thấy đây là một thị trường tiềm năng. 3: Biểu đồ tiêu thụ nhựa 1.

Các phương pháp in lụa nhựa trên thế giới Ở Trung Quốc, vào thời phong kiến, mỗi khi triều đình muốn phổ biến lệnh truyền hay tấu chương thì phải huy động một lực lượng thợ vẽ có tay nghề lớn, vẽ và viết hoàn toàn bằng tay. Vào thời nhà Thanh đã phát minh ra cách in bằng “màn lưới” tức in lụa ngày nay. Một thỏi đồng được nung nóng, đập, cán cho thật phẳng và mỏng khoảng 2- 3 mm, rồi khéo léo khắc lên miếng đồng những chi tiết cần in, sau đó lấy mực đậm quét lên chỗ “rỗng” vừa khắc xong, mực xuyên qua phía dưới dính vào tờ giấy, xong tờ này tới tờ khác và cứ như thế người ta đã cho ra đời nghề in. Vào năm 1885, ngành “in lụa” lan truyền sang các nước Châu Âu: Anh, Pháp, Đức, Thụy Sĩ.

Họ cải tiến thêm: lưới được căng khung gỗ, phương pháp “căng lưới”, gá lắp “bản lề” khung lưới lên bàn in và nhất là phương pháp chế bản in v.v… 3 Đầu thế kỷ 20, kỹ thuật in lụa đã có mặt ở hầu hết các nước phát triển nhưng bị chựng lại và dậm chân tại chỗ do ảnh hưởng của chiến tranh thế giới. Mãi đến năm 1945 ngành in lụa mới thực sự đi vào công nghệ hoá. Thụy Sĩ chế tạo và sản xuất “lụa” (hiệu Monyl, Nybolt). Anh và Đức chế tạo và sản xuất các loại mực in chuyên dùng cho ngành in lụa.

Mỹ có tiếng phát minh các loại phim chế bản in. Pháp thì rất thành công về màu vẽ và nhũ tương chế bản in thủ công. Ngày nay, trên thế giới, kỹ thuật in lụa đã và đang phát triển rất mạnh, nhất là ở các nước Au Mỹ, với những trang thiết bị và máy tối tân, hoàn toàn tự động, in dây chuyền hàng loạt, năng suất lớn, kỹ thuật in cao và chất lượng tốt. Các dụng cụ in ở Việt Nam Đầu thập niên 1950, ông PHẠM ĐẠT TIẾT (1913 – 1962) - một kỹ sư cơ khí yêu nghề in lụa ở Pháp đã trở về Việt Nam và truyền bá kỹ thuật in lụa hiện đại.

Ông là người đã khai sáng nên ngành in lụa ở Việt Nam. Ngành in lụa của chúng ta đã lê chậm từng bước do không có nhu cầu thị trường. Đến những năm 60, các mặt hàng in bông trên vải sợi tơ lụa và các mặt hàng quảng cáo mới được mọi người chú ý quan tâm. Khi ấy, so với các nước trong khu vực Đông Nam Á, ngành in lụa của nước ta còn phát triển chậm.

Nhất là đối với các nước Nhật Bản, Hồng Kông, Đài Loan, Hàn Quốc. Đầu thập niên 70, ngành in lụa ở Việt Nam có sự phát triển đáng kể nhưng chưa mạnh vì trình độ kỹ thuật vẫn còn thấp, máy in lụa chưa có, chủ yếu dùng phương pháp in thủ công nên năng suất và chất lượng không cao. Từ năm 90 đến nay, ngành in lụa ở nước ta phát triển mạnh. Phần lớn công nghệ và các loại máy được chuyển giao và nhập từ các nước có trình độ cao như Đài Loan, Hàn Quốc, Nhật Bản, Singapore, Anh, Pháp, Mỹ, Đức, Thụy Sĩ., rất ít được sản xuất từ các cơ sở, xí nghiệp trong nước.

Hiện nay, máy in lụa được nhập từ nước ngoài có chất lượng tốt nhưng giá thành cao, không phù hợp với quy mô và vốn đầu tư của hầu hết các cơ sở in lụa ở Việt 4 Nam. Vì vậy, việc sản xuất máy phục vụ cho ngành in lụa đang là một thị trường đầy tiềm năng và mới mẻ. Các loại máy in lụa trên thị trường hiện nay dùng xy lanh khí nén để truyền động cho các cơ cấu của máy, một số ít dùng động cơ điện, rất ít loại máy in lụa sản phẩm dạng đĩa tròn và dạng xoay nhiều màu. Vì vậy việc thiết kế và đưa vào chế tạo loại máy này sẽ mang lại nhiều lợi kinh tế, góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành kỹ thuật in lụa nước nhà.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Nghiên cứu, tính toán, thiết kế ra một hệ thống in chai nhựa là việc làm rất cần thiết đối với đội ngũ cán bộ kĩ thuật, đặc biệt là đối với đội ngũ cán bộ kĩ thuật chuyên ngành chế tạo máy. Chế tạo được một hệ thống in lụa tự động trong nước mang lại rất nhiều lợi ích. Đặc biệt là về mặt kinh tế vì giá thành rẻ hơn rất nhiều so với thiết bị ngoại nhập nhưng vẫn đáp ứng được nhu cầu sản xuất. Điều đó cũng khẳng định được trình độ kĩ thuật công nghệ của chúng ta đang và sẽ theo kịp với thế giới.

Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu 1. Mục Tiêu - Thiết kế bằng phần mềm solidworks và chế tạo được hệ thống in thông tin sản phẩm. - Chế tạo được các chi tiết đơn giản cần độ chính xác thấp. - Đấu nguồn cho plc, đấu nguồn cho cụm điện khí nén.

- Máy in được hộp nhựa có kích thước nhỏ hơn 80x80x80mm. - Lập trình được cho hệ thống hoạt động. - Đấu nối tủ điện cho hệ thống. - Mô phỏng bằng phần mềm solidworks được hệ thống.

- Máy in được sản phẩm với kích thước và chất liệu khác nhau. - Hiệu suất in 12 sản phẩm/phút. Các cơ cấu máy hoạt động ổn định. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu các thiết bị cơ bản của của hệ thống tự động bao gồm: cơ cấu chấp hành, các thiết bị điều khiển… 1.

Phương pháp nghiên cứu Tham khảo các hệ thống máy móc in thông tin sản phẩm từ các nguồn internet đã có để nắm được kết cấu, quy trình công nghệ, cách làm, tình hình, thực trạng. Tham khảo tài liệu từ sách, internet, các đồ án có liên quan. Đi từ ý tưởng đến thiết kế để cho ra thành phẩm cuối cùng nhằm tránh những sai sót không mong muốn. Thiết kế 3D trước rồi bắt tay vào chế tạo và từ chế tạo chỉnh Bản vẽ 3D.

Giới hạn đề tài Các loại chai nhựa có các kích thước khác nhau, đa dạng các mẫu mã, tùy thuộc vào chất chứa. Vì vậy tác giả chỉ giới hạn tại chai nhựa có kích thước 60x48x24. Đồng thời cũng có nhiều phương pháp vận chuyển hộp nhựa nhưng trong đề tài này, tác giả chỉ tập trung vào nghiên cứu và thiết kế hệ thống in chai nhựa bằng băng tải pvc. Chế tạo mô hình với kích thước tổng thể là nhỏ hơn 1000x500x600mm.

Băng tải có kích thước nhỏ hơn 500x120x210mm. Khung in có kích thước nhỏ hơn 350x300x50mm. Không giới hạn loại mực in. In trên vật liệu là hộp nhựa.

Có thể in nhiều các chi tiết có kích thước khác nhau nhưng đề tài chỉ áp dụng 1 kích thước duy nhất. Chỉ làm mô hình có thể chạy được không làm thương mại hóa. 6 Chương 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2. Mực in gốc nước (còn gọi là mực nước hay water-based ink): Các loại mực gốc nước thường có đặc tính là hòa tan trong nước ở nhiệt độ thường (dễ tan từ 50-60 độ C và khó tan dưới 25 độ C) Nhóm này dùng in trực tiếp lên các vật liệu làm từ xenluloza như vải sợi bông, vải lụa, đay, gai, mây tre, chiếu cói, gỗ … Mực in nhóm này để khô tự nhiên tức là dùng không cần qua xử lý nhiệt hay ánh sáng.

Khi in mực này thường lau bản bằng nước và dùng nước cất hoặc dung môi gốc nước để pha loãng. Cũng chính vì đặc điểm này mà mực sẽ bám kém hơn mực dầu nhưng thân thiện với môi trường hơn. Tại thị trường Việt Nam các loại mực gốc nước loại tốt phổ biến: Matsui, ColorLab, Silkflex, Shinakamura, Furukawa, CSC,… Để in trên các chất liệu như gỗ, giấy carton, mực in gốc nước thường được pha sẵn màu.