HCMUTE Nghiên Cứu và Chế Tạo Máy Đo Mật Độ

• Tác giả: ThS. Cao Xuân Vũ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa In & Truyền Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Máy Đo Mật Độ Màu
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MẬT ĐỘ
• 1.1. THIẾT BỊ ĐO MÀU
• 1.1.1. Vài điều sơ lược về thiết bị đo màu
• 1.1.2. Các loại thiết bị đo màu thường dùng
• 1.1.2.1. Máy đo màu kích thích 3 thành phần
• 1.1.2.2. Máy đo màu quang phổ
• 1.2. THIẾT BỊ ĐO MẬT ĐỘ
• 1.2.1. Các dạng máy đo mật độ màu
• 1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng kết quả đo màu và mật độ
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MẬT ĐỘ MÀU
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY ĐO MẬT ĐỘ MÀU PHẢN XẠ
• 4. CHƯƠNG 4: HIỆU CHỈNH MÁY ĐO MẬT ĐỘ
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

I. Nghiên cứu máy đo mật độ Tổng quan và bối cảnh

Phần này tập trung vào nghiên cứu máy đo mật độ, đặc biệt là trong bối cảnh nghiên cứu khoa học HCMUTE. Đề tài Nghiên cứu và chế tạo máy đo mật độ tại HCMUTE có ý nghĩa quan trọng do nhu cầu kiểm soát chất lượng trong ngành in Việt Nam đang tăng cao. Hiện nay, nhiều nhà in vẫn dựa vào kinh nghiệm chủ quan, thiếu thiết bị đo đạc hiện đại. Công nghệ đo mật độ ở Việt Nam còn khá mới mẻ, giá thành thiết bị nhập khẩu cao, hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi. Ngược lại, trên thế giới, công nghệ đo mật độ đã phát triển mạnh mẽ với nhiều hãng sản xuất nổi tiếng như X-rite, Konica Minolta. Nghiên cứu khoa học HCMUTE hướng đến việc chế tạo máy đo mật độ với giá thành hợp lý, đáp ứng điều kiện thực tế Việt Nam. Đây là đóng góp quan trọng cho sự phát triển công nghệ trong nước. Thiết bị đo mật độ được xem là một thiết bị đo lường HCMUTE, đóng góp cho dự án nghiên cứu HCMUTE và báo cáo khoa học HCMUTE.

1.1. Thực trạng nghiên cứu trong và ngoài nước

Việt Nam hiện nay vẫn chưa chú trọng phát triển công nghệ đo mật độ. Nhiều nhà in thiếu các thiết bị đo hiện đại, dẫn đến kiểm soát chất lượng sản phẩm in chưa hiệu quả. Một số trường đại học trong nước đã có nghiên cứu về máy đo mật độ, nhưng chủ yếu dừng ở thiết kế mô hình, chưa được ứng dụng thực tế. Trái lại, trên thế giới, phép đo mật độ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như in ấn, dệt may, sơn… Các hãng sản xuất lớn như X-Rite, Konica Minolta đã cho ra đời nhiều thế hệ máy đo với độ chính xác cao. Các nghiên cứu quốc tế, ví dụ như nghiên cứu của K Leon, D Mery, F Pedreschi, Jorge León về phương pháp đo màu, đã tập trung vào việc cải tiến độ chính xác của các mô hình chuyển đổi màu sắc. Nghiên cứu của Markku Hauta-Kasari, Kanae Miyazawa, Satoru Toyooka, Jussi Parkkinen về hệ thống tầm nhìn quang phổ cũng đóng góp vào việc nâng cao hiệu quả đo màu. Tuy nhiên, giá thành cao của các thiết bị nhập khẩu là một trở ngại lớn cho việc ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam. Máy đo mật độ và phương pháp đo mật độ là những Salient Keyword quan trọng trong nghiên cứu này. Thiết bị đo màu, phép đo màu, và ngành in là những Semantic Entity liên quan chặt chẽ. HCMUTE là Salient Entity chính, đại diện cho đơn vị nghiên cứu và chế tạo.

1.2. Tính cấp thiết của đề tài

Ngành in Việt Nam đang phát triển nhanh, với tốc độ tăng trưởng cao. Nhu cầu về các ấn phẩm in tăng mạnh, đòi hỏi nâng cao chất lượng sản phẩm. Máy đo mật độ là thiết bị quan trọng trong việc kiểm soát chất lượng in ấn. Các thiết bị nhập khẩu có chất lượng tốt nhưng giá thành cao, không phù hợp với điều kiện kinh tế Việt Nam. Thiết bị từ các nước như Trung Quốc, Đài Loan có giá thành thấp hơn nhưng chất lượng và độ bền không đảm bảo. Việc nghiên cứu và chế tạo máy đo mật độ tại Việt Nam là cấp thiết, đáp ứng nhu cầu trong nước về một thiết bị chất lượng, giá thành hợp lý. Đề tài hướng tới chế tạo máy đo mật độ với khả năng hoạt động độc lập hoặc kết nối với máy tính, phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam. Đây là một Salient LSI keyword quan trọng phản ánh mục tiêu chính của nghiên cứu. Ngành in Việt Nam, kiểm soát chất lượng sản phẩm, và giá thành sản phẩm là những Close Entity phản ánh bối cảnh và tầm quan trọng của đề tài. Máy đo mật độ màu là một Semantic LSI keyword khác cũng rất cần thiết để hiểu rõ phạm vi nghiên cứu.

II. Thiết kế và chế tạo máy đo mật độ tại HCMUTE

Phần này tập trung vào quá trình thiết kế máy đo mật độ và chế tạo máy đo mật độ. Nhóm nghiên cứu đã tham khảo các máy đo mật độ của các hãng lớn như X-Rite, Konica, Sheen-UK để rút ra những kinh nghiệm thiết kế và phương pháp đo. Thiết kế máy đo mật độ được thực hiện hoàn toàn trên máy tính, đảm bảo tính linh hoạt và độ chính xác cao. Mô hình 3D của đầu đo được xây dựng bằng phần mềm SolidWorks, hỗ trợ cho việc lưu trữ, chế tạo và lắp ráp. Việc sử dụng phần mềm máy tính cho phép tối ưu hóa thiết kế và giảm thiểu sai số. Nguyên vật liệu được lựa chọn là các vật liệu có sẵn trong nước, giúp giảm giá thành sản phẩm. Phần mềm quản lý chất lượng sản phẩm in được xây dựng để kết hợp với máy đo mật độ, nâng cao hiệu quả kiểm soát chất lượng. Mật độ vật liệu là một khía cạnh quan trọng trong thiết kế máy đo mật độ. Nguyên lý hoạt động máy đo mật độ dựa trên việc đo ánh sáng phản xạ từ mẫu vật.

2.1. Nguyên lý hoạt động và cấu trúc máy

Máy đo mật độ được thiết kế dựa trên nguyên lý đo ánh sáng phản xạ hoặc truyền qua mẫu vật. Cấu trúc máy đo mật độ bao gồm các thành phần chính như nguồn sáng, bộ cảm biến, mạch xử lý tín hiệu và màn hình hiển thị. Linh kiện máy đo mật độ được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo độ chính xác và độ bền của máy. Nguyên lý đo màu và nguyên lý đo mật độ được nghiên cứu kỹ lưỡng để áp dụng vào thiết kế. Phát triển máy đo mật độ là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức lý thuyết và kỹ năng thực hành. Ứng dụng máy đo mật độ trong ngành in, sơn, dệt… đòi hỏi độ chính xác cao. Hiệu chuẩn máy đo mật độ là bước quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của kết quả đo. Kiểm tra máy đo mật độ định kỳ là cần thiết để phát hiện và khắc phục các lỗi kỹ thuật. Thuyết kế máy đo mật độ được thực hiện dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế. Mô phỏng máy đo mật độ trước khi chế tạo giúp tối ưu hóa thiết kế và giảm thiểu chi phí.

2.2. Hiệu quả và ứng dụng

Máy đo mật độ được chế tạo thành công, hoạt động ổn định và đạt độ chính xác cao. Máy đo mật độ HCMUTE có giá thành thấp hơn so với sản phẩm cùng loại nhập khẩu. Ứng dụng máy đo mật độ trong công nghiệp là rất rộng rãi, đặc biệt là trong ngành in ấn. Ứng dụng đo mật độ vật liệu giúp kiểm soát chất lượng sản phẩm in offset từ khâu in thử đến quá trình in chính thức. Máy đo mật độ cũng là thiết bị thực tập hữu ích cho sinh viên ngành in. Kết quả nghiên cứu được chuyển giao và ứng dụng thực tiễn, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm in tại Việt Nam. Hiệu quả kinh tế - xã hội của đề tài là đáng kể, giảm chi phí sản xuất và tăng năng suất lao động. Sinh viên HCMUTE, giảng viên HCMUTE, và khoa công nghệ thông tin HCMUTE đều đóng vai trò quan trọng trong quá trình nghiên cứu và chế tạo. Việc chế tạo thành công máy đo mật độ là một minh chứng cho tiến bộ công nghệ đo mật độ tại Việt Nam.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành in ấn Việt Nam phát triển với mức tăng trưởng bình quân từ 15-20% mỗi năm, nhu cầu kiểm soát chất lượng sản phẩm in ngày càng trở nên cấp thiết. Theo Hiệp hội In Việt Nam, ngành in đóng góp hơn 1 tỷ USD vào GDP với lực lượng lao động khoảng 50 nghìn người. Tuy nhiên, công nghệ đo màu và đo mật độ tại Việt Nam còn khá mới mẻ, chủ yếu do giá thành thiết bị cao và quy trình quản lý chất lượng chưa được chú trọng đúng mức. Thực tế, nhiều nhà in vẫn dựa vào cảm quan và kinh nghiệm để đánh giá chất lượng bản in, dẫn đến hiệu quả kiểm soát thấp.

Mục tiêu nghiên cứu là tìm hiểu các nguyên lý đo màu và mật độ, thiết kế mô hình tổng quát máy đo màu, đồng thời chế tạo và hiệu chuẩn máy đo mật độ phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam. Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2015 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, với phạm vi ứng dụng tập trung vào ngành in offset và các lĩnh vực liên quan như pha sơn, nhuộm, dệt.

Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc chế tạo thành công máy đo mật độ màu VL05 có thể hoạt động độc lập hoặc kết nối máy tính, với chi phí thấp hơn một nửa so với sản phẩm cùng loại nhập khẩu từ Trung Quốc. Máy đo này không chỉ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật với độ chính xác cao (sai số Delta E < 2) mà còn hỗ trợ xây dựng phần mềm quản lý chất lượng sản phẩm in, góp phần nâng cao hiệu quả kiểm soát chất lượng trong sản xuất in ấn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình đo màu tiêu chuẩn quốc tế, trong đó nổi bật là:

• Nguyên lý đo màu kích thích ba thành phần (tristimulus colorimetry): Dựa trên mô hình CIE 1931, máy đo sử dụng nguồn sáng chuẩn D65 chiếu lên mẫu, cảm biến màu RGB thu nhận ánh sáng phản xạ và chuyển đổi thành các giá trị tần số tương ứng ba màu cơ bản Red, Green, Blue. Từ đó, các giá trị màu được chuyển đổi sang không gian màu CIE XYZ và Lab* để đánh giá chính xác màu sắc.

• Phương pháp hiệu chuẩn ma trận: Sử dụng ma trận chuyển đổi tuyến tính để hiệu chỉnh giá trị tần số RGB thu được từ cảm biến sang giá trị màu chuẩn, dựa trên so sánh với máy đo màu chuẩn SpectroEye. Phương pháp này đảm bảo độ chính xác và tính ổn định của kết quả đo.

• Các khái niệm chính: Mật độ màu (density), sai lệch màu Delta E, nguồn sáng chuẩn (D65, A), góc quan sát chuẩn 20°, hiện tượng Meta (hiện tượng màu sắc thay đổi theo nguồn sáng), và các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo như bề mặt mẫu, độ bóng, nhiệt độ bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

• Dữ liệu đo màu và mật độ từ máy đo VL05 do nhóm nghiên cứu chế tạo.
• Dữ liệu tham chiếu từ máy đo màu chuẩn SpectroEye.
• Tài liệu khoa học, tiêu chuẩn quốc tế CIE, và các nghiên cứu trong lĩnh vực đo màu.

Phương pháp phân tích:

• Thiết kế mô hình 3D đầu đo bằng phần mềm SolidWorks.
• Chế tạo và lắp ráp máy đo mật độ màu VL05 với cảm biến TCS3200D và nguồn sáng LED chuẩn Nichia D65.
• Hiệu chuẩn máy đo bằng phương pháp ma trận chuyển đổi tuyến tính, so sánh kết quả với máy chuẩn.
• Đánh giá độ chính xác qua sai số Delta E giữa máy VL05 và máy chuẩn.
• Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo như nguồn sáng, bề mặt mẫu, góc đo hình học.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 01/2015 đến 12/2015, bao gồm các giai đoạn: khảo sát và tổng hợp lý thuyết, thiết kế mô hình, chế tạo máy, hiệu chuẩn và thử nghiệm, xây dựng phần mềm quản lý chất lượng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chế tạo thành công máy đo mật độ màu VL05 với khả năng hoạt động độc lập hoặc kết nối máy tính, sử dụng nguồn sáng chuẩn D65 và A, góc quan sát 20°, đáp ứng tiêu chuẩn CIE. Máy có giá thành thấp hơn một nửa so với sản phẩm cùng loại của Trung Quốc, phù hợp với điều kiện Việt Nam.

2. Độ chính xác cao của máy đo VL05 được chứng minh qua sai số Delta E < 2 khi so sánh với máy đo màu chuẩn SpectroEye. Kết quả đo các màu cơ bản Cyan, Magenta, Yellow và các màu Pantone CMYK 2013 cho thấy sự tương đồng cao, đảm bảo độ tin cậy trong kiểm soát chất lượng.

3. Phần mềm Color-M được phát triển đồng bộ với máy đo, hỗ trợ quản lý chất lượng sản phẩm in bằng cách đo mật độ tông nguyên, gia tăng tầng thứ và độ tương phản in. Phần mềm giúp so sánh giá trị màu giữa bản in thử và bản in thật, nâng cao hiệu quả kiểm soát.

4. Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và vật lý như nguồn sáng, bề mặt mẫu đo, độ bóng và nhiệt độ bề mặt được phân tích kỹ lưỡng. Việc sử dụng đồng thời hai nguồn sáng chuẩn D65 và A giúp khắc phục hiện tượng Meta, tăng độ chính xác đo màu trên các loại bề mặt khác nhau.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc thiết kế và chế tạo máy đo mật độ màu VL05 dựa trên nguyên lý đo màu kích thích ba thành phần và hiệu chuẩn ma trận là phù hợp và hiệu quả. Việc sử dụng cảm biến màu TCS3200D kết hợp nguồn sáng LED chuẩn Nichia D65 đảm bảo tín hiệu thu nhận ổn định và chính xác.

So với các nghiên cứu và sản phẩm nước ngoài như X-Rite, Konica Minolta, máy VL05 có ưu điểm về chi phí thấp và khả năng tùy biến linh hoạt trong thiết kế, phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước. Kết quả sai số Delta E < 2 cho thấy máy có thể ứng dụng thực tế trong kiểm soát chất lượng in offset, pha sơn, nhuộm và các ngành công nghiệp liên quan đến màu sắc.

Việc xây dựng phần mềm quản lý chất lượng Color-M tích hợp với máy đo giúp nâng cao hiệu quả kiểm soát, giảm thiểu sai sót do đánh giá cảm quan. Dữ liệu thu thập có thể được trình bày qua biểu đồ sai lệch màu Delta E, bảng mật độ tông nguyên và đường cong gia tăng tầng thứ, hỗ trợ phân tích trực quan và ra quyết định nhanh chóng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tích hợp đầu đo và mạch điều khiển thành thiết bị cầm tay nhằm tăng tính tiện dụng và khả năng ứng dụng linh hoạt trong các nhà in và xưởng sản xuất. Thời gian thực hiện dự kiến 6-12 tháng, do nhóm nghiên cứu và các đơn vị công nghệ đảm nhiệm.

2. Sản xuất thử nghiệm và triển khai ứng dụng thực tế tại các nhà in offset, hãng pha sơn, nhuộm để thu thập phản hồi và hoàn thiện sản phẩm. Mục tiêu nâng cao độ chính xác và độ bền thiết bị trong môi trường sản xuất thực tế, thời gian 12 tháng.

3. Phát triển các mô-đun đo màu với độ chính xác cao hơn và khả năng đo inline trong dây chuyền sản xuất, nhằm tăng tính cạnh tranh với các sản phẩm nhập khẩu từ Trung Quốc và Hàn Quốc. Thời gian nghiên cứu và phát triển 18-24 tháng.

4. Mở rộng thư viện hiệu chuẩn và chương trình đo phù hợp với đa dạng bề mặt vật liệu như vải, nhựa, giấy tráng phủ, nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của đặc tính bề mặt đến kết quả đo. Chủ thể thực hiện là nhóm nghiên cứu phối hợp với các doanh nghiệp sản xuất vật liệu in.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành in & truyền thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về nguyên lý đo màu, thiết kế và chế tạo máy đo mật độ, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển thiết bị đo màu trong nước.

2. Doanh nghiệp sản xuất máy đo màu và thiết bị kiểm soát chất lượng in: Tham khảo để phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường Việt Nam, giảm chi phí nhập khẩu và nâng cao tính cạnh tranh.

3. Các nhà in offset, hãng pha sơn, nhuộm, dệt: Áp dụng máy đo mật độ màu VL05 và phần mềm quản lý chất lượng để nâng cao hiệu quả kiểm soát màu sắc, giảm sai sót và tăng năng suất.

4. Cơ quan quản lý chất lượng và tiêu chuẩn kỹ thuật: Sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở xây dựng tiêu chuẩn đo màu và mật độ phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy đo mật độ màu VL05 có độ chính xác như thế nào so với máy đo chuẩn?
   Máy VL05 đạt sai số Delta E nhỏ hơn 2 khi so sánh với máy đo màu chuẩn SpectroEye, đảm bảo độ chính xác cao phù hợp cho kiểm soát chất lượng in ấn.

2. Nguồn sáng chuẩn D65 và A được sử dụng trong máy có tác dụng gì?
   Nguồn sáng D65 mô phỏng ánh sáng ban ngày, còn nguồn sáng A là ánh sáng đèn sợi đốt. Kết hợp hai nguồn sáng giúp khắc phục hiện tượng Meta, đảm bảo kết quả đo màu ổn định dưới các điều kiện chiếu sáng khác nhau.

3. Máy VL05 có thể đo trên những loại bề mặt nào?
   Máy được hiệu chuẩn trên nền giấy phủ mực in, có thể đo chính xác trên các bề mặt giấy, nhưng khi đo trên vải, nhựa hoặc bề mặt có độ bóng khác nhau, kết quả có thể bị ảnh hưởng do đặc tính phản xạ ánh sáng.

4. Phần mềm Color-M hỗ trợ những chức năng gì?
   Phần mềm quản lý chất lượng Color-M hỗ trợ đo mật độ tông nguyên, gia tăng tầng thứ, độ tương phản in, so sánh sai lệch màu giữa bản in thử và bản in thật, giúp kiểm soát chất lượng sản phẩm hiệu quả.

5. Chi phí chế tạo máy VL05 so với các sản phẩm nhập khẩu ra sao?
   Chi phí chế tạo máy VL05 thấp hơn một nửa so với các sản phẩm cùng loại nhập khẩu từ Trung Quốc, phù hợp với điều kiện kinh tế Việt Nam và dễ dàng bảo trì, sửa chữa với linh kiện trong nước.

Kết luận

• Đã thiết kế và chế tạo thành công máy đo mật độ màu VL05 với độ chính xác cao, sai số Delta E < 2 so với máy chuẩn quốc tế.
• Máy có khả năng hoạt động độc lập hoặc kết nối máy tính, sử dụng nguồn sáng chuẩn D65 và A, góc quan sát 20°, phù hợp tiêu chuẩn CIE.
• Phần mềm Color-M hỗ trợ quản lý chất lượng sản phẩm in, đo mật độ, gia tăng tầng thứ và độ tương phản in, nâng cao hiệu quả kiểm soát.
• Máy VL05 có giá thành thấp hơn một nửa so với sản phẩm nhập khẩu, linh kiện dễ tìm kiếm trong nước, thuận tiện bảo trì.
• Đề xuất phát triển thiết bị cầm tay, sản xuất thử nghiệm và mở rộng ứng dụng trong các ngành in, pha sơn, nhuộm, dệt nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành chế tạo máy Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và nhà in phối hợp triển khai sản xuất thử nghiệm, hoàn thiện sản phẩm và ứng dụng rộng rãi trong thực tế nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm in ấn trong nước.