Giới thiệu dự án

Sự bùng nổ của ngành công nghiệp polyme và xu hướng kinh tế tuần hoàn đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển, thử nghiệm các loại vật liệu composite mới, tiêu biểu là vật liệu composite gỗ - nhựa (Wood Plastic Composite - WPC) và composite polyme gia cường sợi tự nhiên (Natural Fiber Reinforced Polymer Composites - NFPC). Theo các báo cáo công nghiệp vật liệu, thị trường polyme toàn cầu liên tục tăng trưởng với quy mô vượt 600 tỷ USD, kéo theo nhu cầu tái chế phế liệu và tổng hợp vật liệu kỹ thuật cao. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu và cơ sở đào tạo kỹ thuật hiện nay là các dây chuyền tạo hạt công nghiệp (như dòng máy SJ100) thường có công suất lớn từ 50–100 kg/h, tiêu tốn từ 10–50 kg nguyên liệu cho mỗi mẻ chạy thử nghiệm. Điều này gây lãng phí nghiêm trọng kinh phí và tài nguyên khi nhóm nghiên cứu chỉ cần đánh giá mẫu thử ở quy mô 200 g – 1 kg.

Mô hình máy thực nghiệm ban đầu tại xưởng cơ khí gặp nhiều hạn chế kỹ thuật: hệ thống kiểm soát nhiệt bị trôi thông số do hỏng đồng hồ đo và cảm biến, cơ cấu truyền động kéo dây nhựa chạy với vận tốc cố định, ổ dao cắt chỉ trang bị 01 lưỡi đơn không điều chỉnh được tốc độ, dẫn đến hạt nhựa tạo ra có kích thước thô (2.0–3.0 mm), độ đồng đều thấp và thường xuyên bị biến tính nhiệt (cháy vàng hoặc nghẹt phôi).

Đề tài "Hoàn thiện mô hình máy tạo nguyên liệu nhựa dạng hạt và dây" do nhóm sinh viên Khoa Cơ khí Chế tạo máy – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện nhằm giải quyết dứt điểm các điểm nghẽn kỹ thuật nêu trên với 4 mục tiêu trọng tâm:

  1. Phục hồi và chuẩn hóa hệ thống kiểm soát nhiệt độ đa vùng của cụm đùn tạo dây đạt độ chính xác $\pm 1^\circ\text{C}$ trong dải nhiệt $50^\circ\text{C} - 300^\circ\text{C}$.
  2. Nâng cấp hệ thống truyền động và cơ cấu dao cắt hạt nhựa sử dụng điều khiển vi xử lý PWM (Pulse Width Modulation), cho phép tùy biến dải kích thước hạt siêu mịn từ 0.5 mm đến 2.5 mm.
  3. Tối ưu hóa cơ cấu cơ khí bộ dao cắt bằng vật liệu thép gió hợp kim cao (W-Mo-Cr-V), nâng cao năng suất cắt đạt 200–350 g/h ở quy mô phòng lab.
  4. Chế tạo thử nghiệm hạt nhựa Polypropylene (PP) phối trộn 40% bột gỗ, ép mẫu kiểm tra cơ tính bằng phần mềm SIMATIC WinCC Runtime Advanced để định lượng ảnh hưởng của kích thước hạt đến độ bền kéo (Tensile Strength) và độ dãn dài (Elongation at Break).
graph LR
    A[Phễu nạp liệu PP + Bột gỗ] --> B[Máy đùn trục vít gia nhiệt 180-210°C]
    B --> C[Đầu đùn định hình sợi Filament]
    C --> D[Hệ thống làm mát không khí/nước]
    D --> E[Bộ kéo truyền động DC PWM]
    E --> F[Cụm dao cắt thép gió đa lưỡi]
    F --> G[Hạt nhựa Micro-pellet 0.5 - 2.5mm]

Dự án giới hạn trong phạm vi xử lý các dòng nhựa nhiệt dẻo thông dụng (PP, PE, PLA) và composite sợi tự nhiên ở cấp độ thiết bị bán công nghiệp phục vụ R&D, không áp dụng cho các dòng nhựa nhiệt rắn hoặc quy mô sản xuất công nghiệp liên tục trên 10 kg/h.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Khảo sát các giải pháp công nghệ tạo hạt nhựa trên thị trường cho thấy sự phân hóa rõ rệt giữa thiết bị sản xuất công nghiệp và nhu cầu nghiên cứu thực nghiệm:

Tiêu chí kỹ thuật Máy công nghiệp (SJ100 / Leistritz) Mô hình xưởng cũ (Trước cải tiến) Mô hình hoàn thiện (Đồ án)
Công suất động cơ 3.5 – 15.0 kW 0.4 kW (Cố định tốc độ) 0.55 kW (Điều khiển biến tốc)
Năng suất cấp liệu 50 – 100 kg/h 1.0 kg/h (Sai số kích thước lớn) 0.2 – 0.35 kg/h (Kiểm soát vi mô)
Dải kích thước hạt 3.0 – 5.0 mm 2.0 – 3.0 mm (Không điều chỉnh) 0.5 – 2.5 mm (5 cấp kích thước)
Lượng phôi tối thiểu 10 – 50 kg / mẻ 2.0 kg / mẻ 0.2 – 0.5 kg / mẻ
Kiểm soát nhiệt độ PLC công nghiệp đa kênh Cảm biến hỏng, trôi nhiệt CH102 PID + Pt100 ($\pm 1^\circ\text{C}$)
Chi phí chế tạo > 150.000.000 VNĐ ~ 12.000.000 VNĐ < 18.000.000 VNĐ

Yêu cầu người dùng được phân loại theo mô hình MoSCoW:

  • Must-have: Khả năng tạo hạt kích thước 0.5 mm, 1.0 mm, 1.5 mm, 2.0 mm, 2.5 mm; kiểm soát nhiệt độ buồng đùn từ $50 - 300^\circ\text{C}$; hệ thống dẫn phôi ổn định không trượt.
  • Should-have: Dao cắt thép gió tháo lắp nhanh, chống mài mòn khi cắt hạt composite gỗ; mạch bảo vệ quá dòng, quá áp cho động cơ.
  • Could-have: Module kết nối dữ liệu giám sát thời gian thực lên máy tính qua cổng Serial/USB.
  • Won't-have: Tự động hóa đóng bao thành phẩm công nghiệp; cơ cấu sấy chân không tích hợp liền khối.

Thiết kế hệ thống

Hệ thống hoàn chỉnh bao gồm hai phân hệ cơ điện chính được tích hợp đồng bộ:

graph TD
    subgraph Máy đùn & Tạo dây (160 kg, 220V)
        TH[Thùng điều khiển] -->|Relay/SSR| HC[Vòng nhiệt điện trở 20-300°C]
        PT[Cảm biến RTD Pt100] -->|Hồi tiếp nhiệt| TC[Bộ điều khiển CH102 PID]
        TC --> TH
        MOT1[Động cơ chính + Hộp giảm tốc] -->|Mô-men xoắn| SCR[Trục vít - Xy lanh đùn]
    end

    subgraph Hệ thống tạo hạt (8 kg, 12V-5A)
        ARD[Arduino Uno R3 ATmega328P] -->|Tín hiệu PWM 0-255| DRV[Mạch công suất DC 5A / L298]
        POT[Biến trở điều khiển] -->|Analog Read A0| ARD
        DRV -->|Điều tốc| ST_MOT[Động cơ bước / DC kéo phôi]
        DRV -->|Truyền đai| CUT_MOT[Cụm dao cắt Thép gió 80W18Cr4V]
    end

    SCR -->|Đùn sợi| ST_MOT
    ST_MOT -->|Định hướng| CUT_MOT
  • Technology Stack:
    • Vi điều khiển: Arduino Uno R3 (Vi xử lý ATmega328P 8-bit AVR @ 16 MHz, 32KB Flash, 2KB SRAM).
    • Module công suất: Driver PWM DC 5–35V 5A (Hiệu suất 90W) kết hợp mạch cầu H Smart Driver bảo vệ quá nhiệt/quá áp.
    • Cảm biến & Đo nhiệt: Đồng hồ CH102 hiển thị LED 4 chữ số kép, giải thuật PID tự chỉnh kết hợp cảm biến RTD Platium Pt100 2 dây bọc kim loại Inox 304 chịu nhiệt đến $400^\circ\text{C}$.
    • Vật liệu cơ khí dao cắt: Thép gió mác 80W18Cr4V (Hàm lượng Vonfram 18%, Crom 4%, Vanadi 1%), xử lý nhiệt luyện tôi dầu $>60^\circ\text{C}$ và ram đạt độ cứng 63–65 HRC.

Methodology

Dự án áp dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô hình lặp (Iterative Engineering Design) và kiểm định thực nghiệm (Empirical Validation):

  • Giai đoạn 1 (Tuần 1–4): Khảo sát hiện trạng, bóc tách cụm hỏng hóc cơ điện, tính toán động học và động lực học cơ cấu cắt.
  • Giai đoạn 2 (Tuần 5–10): Gia công cải tiến mâm dao nhiều lưỡi, chế tạo đồ gá dẫn phôi; thiết kế và lắp ráp tủ điện điều khiển động cơ DC PWM.
  • Giai đoạn 3 (Tuần 11–16): Lập trình firmware điều khiển vi bước; cân chỉnh vòng phản hồi nhiệt PID máy đùn; chạy thử nghiệm không tải và có tải.
  • Giai đoạn 4 (Tuần 17–24): Thực nghiệm ép phôi mẫu composite PP/bột gỗ và đo đạc cơ tính kéo trên máy thí nghiệm WinCC Runtime.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình nâng cấp tập trung vào việc thiết kế giải thuật điều khiển đồng bộ giữa vận tốc đùn $v_{ext}$ và tốc độ cắt $v_{cut}$. Thuật toán điều khiển độ rộng xung PWM được nạp trực tiếp vào vi điều khiển ATmega328P để điều chỉnh tỉ lệ chu kỳ làm việc (Duty Cycle) của động cơ cấp phôi và motor dao cắt:

// Firmware Arduino Uno R3: Điều khiển động cơ kéo và cắt hạt nhựa
const int pwmPinFeed = 9;    // Chân xuất xung PWM điều khiển tốc độ kéo (Timer 1)
const int pwmPinCutter = 10; // Chân xuất xung PWM điều khiển tốc độ dao cắt
const int potFeedPin = A0;   // Biến trở điều chỉnh tốc độ kéo phôi
const int potCutterPin = A1; // Biến trở điều chỉnh tốc độ mâm dao

int feedValue = 0;
int cutterValue = 0;
int feedPwmOut = 0;
int cutterPwmOut = 0;

void setup() {
  pinMode(pwmPinFeed, OUTPUT);
  pinMode(pwmPinCutter, OUTPUT);
  // Tăng tần số PWM chân D9, D10 lên 31.25 kHz để giảm rung cơ học và tiếng ồn động cơ
  TCCR1B = (TCCR1B & 0b11111000) | 0x01;
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // Đọc tín hiệu Analog 10-bit (0 - 1023)
  feedValue = analogRead(potFeedPin);
  cutterValue = analogRead(potCutterPin);

  // Ánh xạ sang dải 8-bit PWM (0 - 255)
  feedPwmOut = map(feedValue, 0, 1023, 0, 255);
  cutterPwmOut = map(cutterValue, 0, 1023, 0, 255);

  // Xuất tín hiệu điều khiển công suất
  analogWrite(pwmPinFeed, feedPwmOut);
  analogWrite(pwmPinCutter, cutterPwmOut);

  delay(50); // Chu kỳ quét 20Hz ổn định hệ thống
}

Cụm dao cắt được cải tiến từ dạng 1 lưỡi đơn sang đĩa mâm gá 4 lưỡi đối xứng làm từ thép gió 80W18Cr4V, đảm bảo khả năng cắt đứt dứt khoát sợi nhựa nhiệt dẻo mà không làm bẹp đầu hay tạo ba-via. Hệ thống làm mát bằng nước cồng kềnh trước đây được tái cấu trúc thành máng dẫn định hướng kết hợp quạt làm mát cưỡng bức cục bộ, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ ẩm phôi trước khi vào buồng cắt.

       [Sợi phôi từ máy đùn] ───> [Ống dẫn hướng phôi]
                                           │
                                           ▼
                                 [Con lăn kẹp kéo PWM]
                                           │
                                           ▼
[Mâm dao 4 lưỡi quay tốc độ cao] ──> ✂ [Vị trí cắt mép tỳ] ──> [Hạt Micro-pellet]

Testing và validation

Nhóm tiến hành thực nghiệm chế tạo 5 nhóm hạt nhựa PP với các cấp kích thước mục tiêu: 0.5 mm, 1.0 mm, 1.5 mm, 2.0 mm và 2.5 mm. Sau khi tạo hạt, nguyên liệu được trộn đều với 40% khối lượng bột gỗ tự nhiên kèm 2% chất trợ tương hợp Polypropylene ghép anhydrit maleic (MAPP) và 1% chất bôi trơn nội. Hỗn hợp được đưa vào máy sấy phôi ở $80^\circ\text{C}$ trong 4 giờ để triệt tiêu bọt khí, sau đó đúc thành mẫu thử chuẩn ASTM D638 trên máy ép phun HAITIAN.

Các mẫu thử được gá lên chấu kẹp của máy kéo nén vạn năng kết nối phần mềm SIMATIC WinCC Runtime Advanced để thu thập biểu đồ biến dạng - ứng suất theo thời gian thực:

Ứng suất (MPa)
  ^
35│                 /--- (Hạt 0.5mm: Cực đại 31.4 MPa)
30│                /-- (Hạt 1.0mm: Cực đại 29.8 MPa)
25│               /- (Hạt 1.5mm: Cực đại 26.5 MPa)
20│              / (Hạt 2.0mm: Cực đại 23.1 MPa)
15│             / (Hạt 2.5mm: Cực đại 19.8 MPa)
  └──────────────────────────────────────────────> Độ dãn dài (%)
    0           2           4           6

Kết quả đạt được

Hệ thống vận hành ổn định với các chỉ số đo lường thực nghiệm:

Chỉ số đánh giá Giá trị trước cải tiến Mục tiêu thiết kế Kết quả thực nghiệm đạt được
Độ chính xác kiểm soát nhiệt $\pm 15^\circ\text{C}$ (Lỗi hiển thị) $\pm 2^\circ\text{C}$ $\pm 0.8^\circ\text{C}$ (Đạt chuẩn PID)
Kích thước hạt nhựa nhỏ nhất 2.0 mm 0.5 mm 0.5 mm ($\pm 0.08\text{ mm}$)
Dải điều chỉnh kích thước Cố định 1 cấp 5 cấp 5 cấp phân cấp rõ rệt (0.5 – 2.5 mm)
Năng suất tạo hạt ổn định Kẹt máy thường xuyên 250 g/h 200 – 350 g/h
Độ bền kéo mẫu WPC (Hạt 0.5mm) Không chế tạo được > 25.0 MPa 31.4 MPa (Tăng 58.5% so với hạt 2.5mm)
Độ dãn dài khi đứt (Hạt 0.5mm) Không chế tạo được > 4.0% 5.2%

Kết quả thực nghiệm chứng minh kích thước hạt nhựa đầu vào tỷ lệ nghịch với cơ tính của vật liệu composite WPC: khi kích thước hạt giảm từ 2.5 mm xuống 0.5 mm, diện tích tiếp xúc riêng tăng lên giúp bột gỗ phân tán đều trong nền nhựa PP nóng chảy, tăng độ bền kéo từ 19.8 MPa lên 31.4 MPa (tăng trưởng 58.5%).

Đổi mới và đóng góp

  • Làm chủ công nghệ điều khiển vi bước tạo hạt kích thước siêu nhỏ (Micro-granulation): Thiết kế thành công cơ cấu phối hợp tốc độ kép giữa bộ kéo phôi con lăn và mâm dao 4 lưỡi thép gió, cho phép tạo hạt micro-pellet kích thước 0.5 mm – mức kích thước thường chỉ xuất hiện trên các dòng máy đùn trục vít đôi chuyên dụng cao cấp.
  • Tối ưu hóa nhiệt luyện dao cắt 80W18Cr4V: Quy trình nhiệt luyện tôi phân cấp trong muối nóng và ram 3 lần giúp lưỡi cắt duy trì độ sắc bén khi gia công vật liệu có tính mài mòn cao như composite chứa 40% bột gỗ, nâng tuổi thọ làm việc liên tục lên hơn 200 giờ chạy máy.
  • Tiết kiệm nguyên liệu nghiên cứu: Giảm khối lượng phôi thử nghiệm tối thiểu từ 10 kg xuống 200 g cho mỗi chu trình phối trộn vật liệu mới, tiết kiệm 95% chi phí nguyên liệu polymer và phụ gia đắt tiền trong giai đoạn R&D.
  • Đóng góp học thuật: Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về mối tương quan giữa kích thước hạt nền PP và độ bền kéo của composite gỗ nhựa WPC, phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí và Công nghệ Vật liệu.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Hệ thống có khả năng ứng dụng trực tiếp vào nhiều lĩnh vực kỹ thuật:

graph TD
    SYS[Mô hình máy tạo hạt & dây nhựa hoàn thiện]
    SYS --> US1[Phòng thí nghiệm Polyme & Composite: Thử nghiệm phối trộn bột trấu, xơ dừa, sợi carbon]
    SYS --> US2[Nghiên cứu In 3D: Chế tạo sợi Filament 1.75mm từ nhựa tái chế]
    SYS --> US3[Xưởng sản xuất nhỏ: Tái sinh phế phẩm nhựa nội bộ thành hạt tái sinh cao cấp]
  • Yêu cầu triển khai:
    • Nguồn cấp: Điện lưới dân dụng 1 pha 220V – 50Hz (Dòng định mức 16A).
    • Diện tích mặt bằng: Tối thiểu $2.5\text{ m} \times 1.2\text{ m}$, sàn chịu tải $>200\text{ kg}$.
    • Điều kiện vận hành: Thông gió cưỡng bức cục bộ tại đầu đùn gia nhiệt.
  • Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI):
    • Chi phí đầu tư cải tiến và hoàn thiện phần cứng/phần mềm: ~15.500.000 VNĐ.
    • Chi phí một máy thử nghiệm R&D nhập khẩu tương đương: >180.000.000 VNĐ.
    • Tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị: >91%. Thời gian hoàn vốn dự tính qua việc tiết kiệm nguyên liệu thử nghiệm trong 6 tháng vận hành lab là hoàn toàn khả thi.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế kỹ thuật: Máy đùn sử dụng trục vít đơn nên khả năng tự phân tán phụ gia trực tiếp trong buồng đùn còn hạn chế, vẫn yêu cầu quy trình tiền trộn cơ học đồng đều ở phễu nạp; việc điều chỉnh vận tốc kéo - cắt hiện sử dụng vòng lặp hở qua biến trở, chưa tích hợp cảm biến thị giác đo đường kính hạt theo thời gian thực.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    1. Nâng cấp hệ thống trục vít sang dạng trục vít đôi đồng hướng (Co-rotating Twin Screw) để nâng cao hiệu suất trộn cưỡng bức.
    2. Tích hợp module camera quang học AI (Machine Vision) để tự động nhận dạng kích thước hạt và hiệu chỉnh xung PWM phản hồi vòng kín (Closed-loop PID Control).
    3. Xây dựng giao diện điều khiển màn hình cảm ứng HMI cảm ứng kết nối IoT giám sát dữ liệu nhiệt - áp suất qua giao thức MQTT.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên cao học: Tiếp cận mô hình thực nghiệm trực quan, làm chủ kỹ năng vận hành công nghệ gia công vật liệu polyme và lập trình vi điều khiển ứng dụng.
  • Kỹ sư R&D & Nhà nghiên cứu: Sở hữu công cụ chế tạo mẫu thử micro-scale linh hoạt, rút ngắn thời gian thử nghiệm các công thức vật liệu composite sinh học mới với chi phí thấp.
  • Cơ sở sản xuất và xưởng gia công nhựa: Ứng dụng giải pháp cắt hạt cơ khí chính xác để tái chế phế liệu cục bộ tại chỗ, giảm thiểu hao hụt nguyên liệu thô trong sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật để lắp đặt và vận hành hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện gia dụng 220VAC (50Hz), aptomat bảo vệ 20A riêng biệt, tiếp địa an toàn vỏ máy. Không gian cần có quạt hút khí cục bộ tại vùng gia nhiệt và bàn gá chịu tải tối thiểu 200 kg.

2. Giới hạn năng suất và khả năng mở rộng quy mô (Scalability) của máy?

Máy được tối ưu cho dải năng suất 200–350 g/h (cắt hạt siêu mịn 0.5 mm) và tối đa 1 kg/h (hạt tiêu chuẩn 2.5 mm). Để nâng quy mô công nghiệp, cần thay đổi đường kính trục vít từ $\varnothing 30\text{ mm}$ lên $\varnothing 65\text{ mm}$ và tăng công suất motor cắt lên 2.2 kW.

3. Máy có thể tích hợp với các đầu đùn nhựa công nghiệp hiện có không?

Có. Cụm máy tạo hạt 8 kg được thiết kế dạng module rời độc lập. Bạn chỉ cần đồng bộ tốc độ nhận phôi thông qua chiết áp PWM để kết nối với bất kỳ đầu đùn dây nhựa nào trên thị trường.

4. Quy trình bảo dưỡng dao cắt và các bộ phận mài mòn như thế nào?

Cần vệ sinh phoi nhựa sau mỗi ca chạy. Tra mỡ bôi trơn gối đỡ định kỳ 50 giờ vận hành. Lưỡi dao thép gió 80W18Cr4V cần được mài vát góc $15^\circ$ trên máy mài phẳng sau mỗi 200 giờ làm việc với composite gỗ.

5. Dự toán tổng chi phí chế tạo và thời gian hoàn vốn?

Tổng kinh phí hoàn thiện chế tạo hệ thống rơi vào khoảng 15–18 triệu đồng. Với các trung tâm nghiên cứu, hệ thống giúp tiết kiệm hàng chục triệu đồng tiền nguyên vật liệu lãng phí ngay trong 3–5 mẻ thử nghiệm đầu tiên.

Kết luận

Đề tài "Hoàn thiện mô hình máy tạo nguyên liệu nhựa dạng hạt và dây" đã giải quyết triệt để bài toán công nghệ tạo hạt nhựa kích thước nhỏ phục vụ nghiên cứu vật liệu bán công nghiệp. Bằng việc kết hợp chính xác giữa điều khiển nhiệt độ PID CH102, vi xử lý Arduino Uno R3 điều xung PWM và cụm dao cắt thép gió đa lưỡi, nhóm nghiên cứu đã hạ kích thước hạt thành công xuống 0.5 mm và chứng minh độ bền kéo của composite PP/gỗ tăng 58.5% khi giảm kích thước hạt nguyên liệu. Đây là giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao, chi phí thấp, đóng góp thiết thực cho công tác đào tạo và nghiên cứu vật liệu composite tiên tiến.