Nghiên Cứu Độ Bền Torsion Của Sản Phẩm Composite Từ Quy Trình Ép Nhựa

Nghiên cứu độ bền torsion của sản phẩm composite từ quy trình ép nhựa là một lĩnh… 83 trang · Ho Chi Minh City University of Technology and Education · 2024.

• Tác giả: Tran Minh Dat
• Người hướng dẫn: PhD. Nguyen Van Thuc
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering Technology
• Đề tài: Nghiên Cứu Độ Bền Torsion Của Sản Phẩm Composite Từ Quy Trình Ép Nhựa
• Loại tài liệu: graduation project
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENT
• ABSTRACT
• TABLE OF CONTENTS
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Reasons for choosing the topic
• 1.2. Objects of research scope
• 1.3. Approaches, Research Methods
• 1.4. Research content
• 2. CHAPTER 2: THEORETICAL BASIS
• 2.1. Overview of constant torque joint mechanism (CTJM)
• 2.2. Definition
• 2.3. Operational principle
• 2.4. Characteristics and properties of the constant torque joint mechanism
• 2.5. Classification and comparison constant-torque joint mechanisms
• 2.5.1. Classification of constant-torque joint mechanisms
• 2.5.2. Comparison of constant-torque joint mechanisms
• 4. CHAPTER 4: EXPERIMENTAL RESULTS
• 4.1. The steps of data processing
• 4.2. Proceeding with data processing
• 4.3. Using artificial neural network (ANN) in MATLAB
• 4.4. Comparing results between ANN and the experiment
• 5. CHAPTER 5: CONCLUSION AND DEVELOPMENT DIRECTION
• LIST OF ABBREVIATIONS
• LIST OF TABLES
• LIST OF CHARTS AND IMAGES

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Độ Bền Torsion Của Sản Phẩm Composite

Nghiên cứu độ bền torsion của sản phẩm composite từ quy trình ép nhựa là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ chế tạo hiện đại. Sản phẩm composite, với khả năng chịu lực tốt và trọng lượng nhẹ, đang ngày càng được ưa chuộng trong nhiều ngành công nghiệp. Đặc biệt, độ bền torsion là một yếu tố quyết định đến hiệu suất và độ an toàn của sản phẩm trong quá trình sử dụng. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong tương lai.

1.1. Định Nghĩa Và Tầm Quan Trọng Của Độ Bền Torsion

Độ bền torsion là khả năng của vật liệu chịu được lực xoắn mà không bị gãy hoặc biến dạng. Trong sản phẩm composite, độ bền này rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hoạt động và độ tin cậy của sản phẩm trong các ứng dụng thực tế.

1.2. Quy Trình Ép Nhựa Trong Sản Xuất Composite

Quy trình ép nhựa là phương pháp chính để sản xuất các sản phẩm composite. Quy trình này cho phép tạo ra các hình dạng phức tạp và đảm bảo tính đồng nhất của vật liệu, từ đó nâng cao độ bền torsion của sản phẩm.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Độ Bền Torsion

Mặc dù có nhiều lợi ích, nhưng nghiên cứu độ bền torsion của sản phẩm composite cũng gặp phải nhiều thách thức. Các yếu tố như loại vật liệu, tỷ lệ pha trộn và điều kiện sản xuất đều ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu. Việc xác định các thông số tối ưu cho quy trình ép nhựa là một trong những thách thức lớn nhất.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Độ Bền Torsion

Các yếu tố như loại nhựa sử dụng (PLA, TPU), tỷ lệ pha trộn và điều kiện ép nhựa có thể ảnh hưởng lớn đến độ bền torsion của sản phẩm. Việc nghiên cứu và phân tích các yếu tố này là cần thiết để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

2.2. Thách Thức Trong Việc Đo Lường Độ Bền Torsion

Việc đo lường độ bền torsion đòi hỏi các thiết bị chuyên dụng và quy trình thử nghiệm chính xác. Sự khác biệt trong phương pháp thử nghiệm có thể dẫn đến kết quả không đồng nhất, gây khó khăn trong việc so sánh và phân tích.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Độ Bền Torsion Của Sản Phẩm Composite

Để nghiên cứu độ bền torsion, nhóm nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm thử nghiệm thực nghiệm và mô phỏng. Việc kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn giúp đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.

3.1. Thử Nghiệm Thực Nghiệm Độ Bền Torsion

Thử nghiệm thực nghiệm được thực hiện trên các mẫu sản phẩm composite với các tỷ lệ pha trộn khác nhau. Kết quả thu được sẽ được phân tích để xác định độ bền torsion tối ưu cho từng loại sản phẩm.

3.2. Mô Phỏng Độ Bền Torsion Bằng Phần Mềm

Sử dụng phần mềm mô phỏng để dự đoán độ bền torsion của sản phẩm composite. Phương pháp này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời cung cấp cái nhìn tổng quan về hiệu suất của sản phẩm trước khi sản xuất thực tế.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Độ Bền Torsion Của Sản Phẩm Composite

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc pha trộn hai loại nhựa PLA và TPU có thể cải thiện đáng kể độ bền torsion của sản phẩm composite. Các mẫu thử nghiệm cho thấy sự khác biệt rõ rệt về khả năng chịu lực xoắn, từ đó mở ra hướng đi mới cho việc phát triển sản phẩm.

4.1. Phân Tích Kết Quả Thử Nghiệm

Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng tỷ lệ pha trộn 60% PLA và 40% TPU mang lại độ bền torsion cao nhất. Phân tích này giúp xác định tỷ lệ tối ưu cho sản phẩm composite.

4.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Kết Quả Nghiên Cứu

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như sản xuất linh kiện máy móc, thiết bị y tế và các sản phẩm tiêu dùng khác, nơi yêu cầu cao về độ bền và an toàn.

V. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Tương Lai

Nghiên cứu độ bền torsion của sản phẩm composite từ quy trình ép nhựa đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa tỷ lệ pha trộn và quy trình sản xuất là rất quan trọng. Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc nghiên cứu thêm các loại vật liệu mới và cải tiến quy trình sản xuất để nâng cao hiệu suất sản phẩm.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu

Kết quả nghiên cứu đã xác nhận rằng sản phẩm composite có thể đạt được độ bền torsion cao hơn thông qua việc pha trộn hợp lý giữa các loại nhựa. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển sản phẩm mới.

5.2. Định Hướng Nghiên Cứu Trong Tương Lai

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các loại composite mới với tính năng vượt trội hơn, cũng như cải tiến quy trình ép nhựa để nâng cao hiệu quả sản xuất.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong nền công nghiệp hiện đại, các kết cấu và sản phẩm vật liệu composite ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật đòi hỏi khắt khe về độ bền xoắn như chế tạo robot, thiết bị hỗ trợ y tế và các hệ thống tự động hóa. Độ bền xoắn không chỉ tác động trực tiếp đến hiệu suất vận hành mà còn quyết định mức độ an toàn và tuổi thọ của chi tiết trong quá trình chịu tải xoay liên tục. Để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác cơ học và khả năng chịu tải, nhóm tác giả đã thực hiện đề tài "Nghiên cứu độ bền xoắn của sản phẩm composite được chế tạo từ quy trình ép phun nhựa" (Research on the torsional strength of composite products manufactured from the plastic injection molding process). Nghiên cứu tập trung vào việc phối trộn hai loại vật liệu nhựa Polylactic Acid (PLA) và Thermoplastic Polyurethane (TPU) nhằm tạo ra một hệ vật liệu composite mới có đặc tính cơ lý ưu việt hơn, kết hợp tính dẻo dai đàn hồi của TPU với độ bền cứng và khả năng gia công của PLA để ứng dụng trên cơ cấu khớp mô-men xoắn không đổi.

Theo nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp, các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể như sau:

1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về cơ cấu khớp mô-men không đổi (Constant-Torque Joint Mechanism - CTJM) và công nghệ ép phun nhựa.
2. Tổng quan về vật liệu sử dụng cho các kết cấu chịu mô-men uốn dẻo, khảo sát đặc tính của hai loại nhựa PLA và TPU.
3. Chế tạo mẫu thử thực tế tương ứng với các tỷ lệ thành phần vật liệu composite khác nhau thông qua quy trình ép phun trên máy Haitian MA 1200III.
4. Thử nghiệm độ bền xoắn của sản phẩm, thu thập dữ liệu biến dạng và góc gãy xoắn (Torsional Fracture Angle - TFA).
5. Xử lý thống kê, phân tích kết quả đo thực nghiệm, đồng thời ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) trong môi trường MATLAB để dự đoán mô-men xoắn và so sánh với kết quả thực nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Cơ cấu khớp mô-men không đổi CTJM (Type I - mô hình 5 phân đoạn); vật liệu nhựa composite phối trộn giữa PLA và TPU; quy trình công nghệ ép phun nhựa; đặc tính độ bền xoắn và mô-men xoắn không đổi của sản phẩm cơ cấu đàn hồi; thuật toán dự đoán ANN.
• Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát 5 tỷ lệ phối trộn giữa PLA (từ 100% giảm dần xuống 60%) và TPU (từ 0% tăng dần lên 40%) với tổng khối lượng nhựa chuẩn bị cho mỗi trường hợp là 700 gram; thực nghiệm ép phun trên máy Haitian MA 1200III sử dụng bộ khuôn 2 tấm; đo kiểm mô-men xoắn trên máy thử nghiệm chuyên dụng; thời gian thực hiện đề tài từ ngày 01/10/2023 đến ngày 14/03/2024 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên các nền tảng lý thuyết và công cụ kỹ thuật chuyên ngành cơ khí:

• Lý thuyết cơ cấu mềm / cơ cấu biến dạng đàn hồi (Compliant Mechanism): Cơ cấu biến dạng đàn hồi nguyên khối truyền động và lực thông qua sự biến dạng cấu trúc của chính vật liệu, giúp loại bỏ hiện tượng khe hở khớp (backlash), ma sát và mài mòn so với các cơ cấu truyền thống. Trong đó, cơ cấu khớp mô-men không đổi (CTJM) cho phép duy trì một giá trị mô-men xoắn gần như không đổi trên một khoảng góc quay nhất định mà không cần đến hệ thống cảm biến hồi tiếp chủ động.
• Mô hình biến dạng phân bố (Distributed-Compliance Model): Khóa luận phân tích hai dạng kết cấu CTJM gồm Type I (nhánh 5 phân đoạn) và Type II (nhánh 3 phân đoạn). Nhóm nghiên cứu lựa chọn mô hình Type I nhằm phân bố độ cứng và độ mềm dẻo đồng đều trên toàn bộ nhánh đàn hồi của cơ cấu.
• Khoa học vật liệu Polymer: Lý thuyết về nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học Polylactic Acid (PLA) và chất đàn hồi nhiệt dẻo Thermoplastic Polyurethane (TPU). Việc tạo vật liệu composite nền polymer từ việc phối trộn PLA/TPU giúp bù trừ nhược điểm giòn của PLA bằng độ dẻo, tính đàn hồi cao và khả năng chống mài mòn của TPU.
• Mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN): Ứng dụng mô hình học máy có giám sát (Supervised Learning) trong MATLAB để xây dựng quan hệ phi tuyến tính giữa các thông số công nghệ đầu vào và mô-men xoắn đầu ra.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ thu thập dữ liệu:

• Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Sấy hạt nhựa ở 90°C trong 2–3 giờ, nghiền nhỏ vật liệu bằng máy nghiền Haitian Plastic Shredder, cân phối trộn chính xác tỷ lệ, sau đó tiến hành ép phun trên máy ép Haitian MA 1200III theo quy trình 6 bước (kẹp khuôn, ép phun, giữ áp, làm nguội, mở khuôn, đẩy sản phẩm).
• Phương pháp thử nghiệm cơ tính: Sử dụng máy kiểm tra độ bền xoắn chuyên dụng tích hợp bộ điều khiển PLC, động cơ giảm tốc, mâm cặp 3 chấu, bộ gá chuyên dụng (fixture 4 chi tiết), cảm biến mô-men và encoder độ phân giải cao để ghi nhận đường cong quan hệ giữa mô-men xoắn và góc xoay.
• Phương pháp xử lý dữ liệu và mô hình hóa: Sử dụng phần mềm Origin để vẽ đồ thị đặc tính biến dạng, xác định vùng mô-men xoắn không đổi và góc phá hủy xoắn; sử dụng công cụ ANN trong MATLAB với 8 biến đầu vào để huấn luyện và kiểm chứng độ chính xác so với dữ liệu thực nghiệm.

---

Thiết kế kỹ thuật và quy trình thực nghiệm

Nghiên cứu triển khai hệ thống kỹ thuật hoàn chỉnh từ khâu thiết kế 3D, gia công khuôn, chế tạo đồ gá đến thiết lập thông số vận hành máy ép và máy thử nghiệm:

1. Thiết kế hình học chi tiết CTJM và khuôn ép

Mẫu thử CTJM được thiết kế trên phần mềm Autodesk Inventor với các thông số kích thước danh nghĩa: đường kính ngoài $\phi 90\text{ mm}$, chiều dày $5\text{ mm}$. Kết cấu gồm 4 cánh đàn hồi uốn cong theo chiều kim đồng hồ, bề dày mỗi cánh là $0{,}9\text{ mm}$. Tâm chi tiết bố trí 1 lỗ vuông kích thước $9\text{ mm}$ có bo góc lượn (fillet) bán kính $3\text{ mm}$ nối tiếp bằng đường cong spline để truyền mô-men xoắn; xung quanh bố trí 4 lỗ tròn định vị phục vụ kẹp chặt.

Bộ khuôn ép nhựa được lựa chọn là loại khuôn 2 tấm (Two-plate mold) sử dụng hệ thống kênh dẫn nguội (Cold runner) bố trí trên mặt phân khuôn, cổng phun đặt ở cạnh chi tiết (Side gate), kết cấu đơn giản gồm nửa khuôn trước (cavity) và nửa khuôn sau (core), tích hợp hệ thống làm nguội vòng quanh lòng khuôn.

2. Thiết kế đồ gá thử nghiệm (Fixture)

Để liên kết mẫu thử CTJM với máy đo xoắn và cảm biến, nhóm nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo bộ đồ gá 4 thành phần:

• Part 1: Tấm kẹp định vị và cố định sản phẩm, liên kết sản phẩm với Part 2 bằng 4 vít M4.
• Part 2: Ống lót vỏ bảo vệ chi tiết khi kẹp vào mâm cặp 3 chấu của máy đo.
• Part 3: Đĩa truyền động liên kết trung gian với cảm biến xoắn, giữ cố định bề mặt sản phẩm bằng bu lông M6/M8.
• Part 4: Mẫu sản phẩm CTJM thực tế cần thử nghiệm.

3. Thiết bị đo kiểm mô-men xoắn

Máy kiểm tra độ bền xoắn có công suất $40\text{ W}$, kích thước $985 \times 400 \times 433\text{ mm}$, khối lượng $108\text{ kg}$, sử dụng nguồn điện xoay chiều $220\text{V AC}$. Các thông số vận hành chính: dải đo mô-men $0 - 300\text{ N}\cdot\text{m}$, độ phân giải góc đo $0{,}001^\circ$, tốc độ quay $45^\circ/\text{s}$. Hệ thống điều khiển qua màn hình PLC tích hợp phần mềm TIA Portal, truyền tín hiệu số từ cảm biến và encoder về máy tính.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu (Introduction)

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài, nêu bật vai trò của vật liệu composite và cơ cấu biến dạng đàn hồi trong công nghiệp robot và y sinh. Tác giả xác định rõ mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi khảo sát thực nghiệm 5 trường hợp phối trộn PLA/TPU, phương pháp tiếp cận kết hợp giữa lý thuyết cơ cấu, công nghệ ép phun, thử nghiệm cơ học và mô hình hóa dự đoán bằng ANN.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết (Theoretical Basis)

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết chuyên sâu:

• Cơ cấu CTJM: Định nghĩa, nguyên lý hoạt động duy trì mô-men không đổi thụ động dựa trên biến dạng hình học của các cánh đối xứng; phân loại cấu trúc Type I (5 phân đoạn) và Type II (3 phân đoạn); tổng quan các nghiên cứu trong nước (sử dụng thuật toán di truyền tối ưu hóa hình học cho thiết bị phục hồi chức năng) và quốc tế (phát triển cơ cấu bàn xoay định vị CTM dùng dầm thẳng tại Trung Quốc).
• Vật liệu PLA và TPU: Nêu chi tiết các tính chất cơ lý của hai loại vật liệu cơ sở:

Đặc tính cơ lý	Đơn vị	Nhựa PLA	Nhựa TPU
Khối lượng riêng (Density)	$\text{kg/m}^3$	$1210 - 1250$	$1180$
Độ bền kéo (Tensile strength)	$\text{MPa}$	$21 - 60$	$35$
Mô-đun đàn hồi kéo (Tensile modulus)	$\text{GPa}$ / $\text{MPa}$	$0{,}5 - 6\text{ GPa}$	$400\text{ MPa}$
Độ cứng Shore (Shore hardness)	-	-	$85\text{A}$
Nhiệt độ chuyển thủy tinh ($T_g$)	$^\circ\text{C}$	$45 - 60$	-
Nhiệt độ nóng chảy ($T_m$)	$^\circ\text{C}$	$150 - 162$	$190$
Nhiệt độ làm việc tối đa không tải	$^\circ\text{C}$	-	$140$

• Thiết lập 5 trường hợp tỷ lệ phối trộn: Tổng khối lượng chuẩn bị cho mỗi mẻ ép là $700\text{ g}$:

Trường hợp	Tỷ lệ PLA (%)	Tỷ lệ TPU (%)	Khối lượng PLA (g)	Khối lượng TPU (g)
Case 1	$100%$	$0%$	$700$	$0$
Case 2	$90%$	$10%$	$630$	$70$
Case 3	$80%$	$20%$	$560$	$140$
Case 4	$70%$	$30%$	$490$	$210$
Case 5	$60%$	$40%$	$420$	$280$

• Công nghệ ép phun và thiết bị: Trình bày cấu tạo 5 hệ thống của máy ép Haitian MA 1200III (kẹp khuôn, khuôn, phun, hỗ trợ áp suất, điều khiển), kết cấu khuôn 2 tấm, máy sấy nhựa, máy nghiền vật liệu và máy đo mô-men xoắn.
• Công cụ phần mềm: Giới thiệu phần mềm Autodesk Inventor, môi trường mạng nơ-ron nhân tạo ANN trong MATLAB và phần mềm xử lý dữ liệu đồ thị Origin.

Chương 3: Phương pháp nghiên cứu và quy trình thực hiện (Research Methodology & Implementation Process)

Chương 3 mô tả quy trình thực nghiệm gồm các bước tuần tự: sấy nhựa ($90^\circ\text{C}$ trong 2–3 giờ), cân trộn, gá khuôn lên máy ép Haitian, cài đặt 5 thông số công nghệ ép phun, ép tạo hình mẫu thử, tháo sản phẩm, lắp vào đồ gá và thực hiện đo xoắn trên máy thử nghiệm.

Các bộ thông số ép phun thực tế được thiết lập cho từng trường hợp:

• Case 1 (100% PLA): Áp suất phun $P_{\text{injection}} = 70\text{ bar}$, áp suất giữ $P_{\text{holding}} = 90\text{ bar}$, nhiệt độ khuôn $T_{\text{mold}} = 40^\circ\text{C}$, thời gian giữ $T_{\text{holding}} = 0\text{ s}$, nhiệt độ nhựa $T_{\text{melt}} = 230^\circ\text{C} - 245^\circ\text{C}$.
• Case 2 (90% PLA - 10% TPU): $P_{\text{injection}} = 70\text{ bar}$, $P_{\text{holding}} = 60\text{ bar}$, $T_{\text{mold}} = 40^\circ\text{C}$, $T_{\text{holding}} = 1\text{ s}$, $T_{\text{melt}} = 215^\circ\text{C} - 225^\circ\text{C}$.
• Case 3 (80% PLA - 20% TPU): $P_{\text{injection}} = 70\text{ bar}$, $P_{\text{holding}} = 60\text{ bar}$, $T_{\text{mold}} = 40^\circ\text{C}$, $T_{\text{holding}} = 1\text{ s}$, $T_{\text{melt}} = 225^\circ\text{C} - 235^\circ\text{C}$.
• Case 4 (70% PLA - 30% TPU): $P_{\text{injection}} = 65\text{ bar}$, $P_{\text{holding}} = 60\text{ bar}$, $T_{\text{mold}} = 40^\circ\text{C}$, $T_{\text{holding}} = 1\text{ s}$, $T_{\text{melt}} = 230^\circ\text{C} - 245^\circ\text{C}$.

Chương 4: Kết quả thực nghiệm và xử lý dữ liệu (Experimental Results)

Chương 4 tập trung vào quy trình xử lý dữ liệu đo mô-men xoắn bằng phần mềm Origin và xây dựng mạng nơ-ron ANN:

• Xây dựng đồ thị biến dạng uốn và mô-men xoắn theo góc quay cho từng trường hợp riêng biệt (Case 1 đến Case 5) và đồ thị tổng hợp so sánh tất cả các trường hợp.
• Xác định giá trị mô-men xoắn không đổi (Constant-torque) và góc gãy xoắn (TFA - Torsional Fracture Angle) cho từng tỷ lệ phối trộn.
• Thiết lập mô hình ANN trong MATLAB với 8 biến đầu vào (tỷ lệ pha trộn PLA, tỷ lệ pha trộn TPU, áp suất phun, áp suất giữ, nhiệt độ nhựa, nhiệt độ khuôn, thời gian giữ, góc xoay) và 1 biến đầu ra mục tiêu là mô-men xoắn.
• Vẽ đồ thị so sánh đối chiếu giữa đường cong mô-men xoắn dự đoán bằng ANN và dữ liệu đo thực nghiệm cho từng trường hợp từ Case 1 đến Case 5, phân tích sai số và độ tin cậy của mô hình học máy.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển (Conclusion and Development Direction)

Chương 5 đúc kết các kết quả đạt được về mặt công nghệ chế tạo composite PLA/TPU, khả năng duy trì mô-men không đổi của cấu trúc CTJM, mức độ tương thích giữa mô hình dự đoán ANN và thực nghiệm, đồng thời đề xuất định hướng nghiên cứu tiếp theo.

---

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật chính

• Chế tạo thành công các mẫu cơ cấu khớp mô-men không đổi CTJM Type I đường kính $\phi 90\text{ mm}$ bằng phương pháp ép phun nhựa composite phối trộn PLA và TPU theo 5 dải tỷ lệ: $100%$ PLA, $90/10$, $80/20$, $70/30$ và $60/40$.
• Xác lập bộ thông số ép phun thực tế trên máy Haitian MA 1200III phù hợp cho từng tỷ lệ nhựa, làm chủ chế độ công nghệ gồm áp suất phun ($65 - 70\text{ bar}$), áp suất giữ ($60 - 90\text{ bar}$), nhiệt độ nóng chảy nhựa ($215^\circ\text{C} - 245^\circ\text{C}$) và nhiệt độ khuôn ($40^\circ\text{C}$).
• Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh hệ thống đồ gá 4 chi tiết tích hợp cảm biến và encoder, kết nối thành công với máy thử nghiệm xoắn điều khiển qua PLC (phần mềm TIA Portal) để đo chính xác đường cong mô-men - góc quay ở tốc độ $45^\circ/\text{s}$.
• Xử lý dữ liệu thực nghiệm qua phần mềm Origin, xác định được quy luật thay đổi của vùng mô-men xoắn không đổi và góc phá hủy xoắn (TFA) khi thay đổi hàm lượng TPU trong nền PLA.
• Ứng dụng thành công mạng nơ-ron nhân tạo ANN trong MATLAB với 8 thông số đầu vào để dự đoán đặc tính mô-men xoắn của cơ cấu, cho thấy sự tương đồng cao giữa kết quả mô phỏng và số liệu thực nghiệm.

2. Đóng góp của đề tài

• Làm sáng tỏ khả năng ứng dụng của vật liệu composite pha trộn giữa polymer sinh học PLA và polymer đàn hồi TPU trong công nghệ ép phun định hình các kết cấu cơ cấu mềm phức tạp.
• Cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về hành vi cơ học xoắn của cơ cấu CTJM dạng 5 phân đoạn (Type I), khắc phục nhược điểm giòn gãy sớm của nhựa PLA nguyên chất khi chịu tải uốn xoay.
• Kết hợp phương pháp thực nghiệm cơ khí truyền thống với công cụ trí tuệ nhân tạo (ANN) nhằm xây dựng quy trình dự đoán cơ tính sản phẩm ép phun dựa trên các thông số công nghệ đầu vào.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung triển khai trong văn bản khóa luận:

• Hạn chế:
  • Nghiên cứu tập trung vào 5 trường hợp phối trộn cố định trong dải tỷ lệ PLA từ $100%$ xuống $60%$ và TPU từ $0%$ lên $40%$ với tổng khối lượng mẫu $700\text{ g}$.
  • Cơ cấu khảo sát giới hạn ở mẫu hình học CTJM Type I (đường kính $\phi 90\text{ mm}$, bề dày cánh $0{,}9\text{ mm}$, chiều dày $5\text{ mm}$) và sử dụng kết cấu khuôn 2 tấm kênh dẫn nguội đơn giản.
  • Tốc độ thử nghiệm mô-men xoắn được cố định ở mức $45^\circ/\text{s}$.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Mở rộng khảo sát các dải tỷ lệ phối trộn khác ngoài dải $60/40$, hoặc thử nghiệm các phụ gia tương hợp nhằm nâng cao độ liên kết pha giữa PLA và TPU.
  • Thử nghiệm trên các dạng kết cấu cơ cấu mềm khác (như CTJM Type II 3 phân đoạn hoặc cơ cấu lực không đổi CFM).
  • Tối ưu hóa sâu hơn kiến trúc mạng ANN và mở rộng tập dữ liệu huấn luyện để nâng cao độ chính xác dự đoán trong toàn bộ dải thông số ép phun công nghiệp.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật và thực tiễn cao cho:

• Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Công nghệ Vật liệu Polymer: Tham khảo quy trình thiết kế khuôn ép nhựa 2 tấm, quy trình phối trộn vật liệu composite nhiệt dẻo và phương pháp thiết lập thông số máy ép phun Haitian MA 1200III.
• Kỹ sư thiết kế cơ cấu robot và thiết bị y tế: Tham khảo nguyên lý cấu tạo, kích thước hình học và đặc tính cơ học của cơ cấu khớp mô-men không đổi (CTJM) ứng dụng cơ chế biến dạng đàn hồi nguyên khối nhằm thay thế các hệ thống cảm biến phức tạp.
• Người nghiên cứu ứng dụng AI trong kỹ thuật cơ khí: Tham khảo quy trình thu thập dữ liệu thực nghiệm, xử lý đồ thị trên Origin và cách thiết lập 8 biến đầu vào cho mô hình mạng nơ-ron nhân tạo ANN trên MATLAB để dự đoán cơ tính sản phẩm.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu khớp mô-men không đổi (CTJM) trong đồ án có đặc điểm hình học và kích thước như thế nào?
Chi tiết CTJM được thiết kế trên phần mềm Inventor với đường kính ngoài $\phi 90\text{ mm}$, chiều dày tổng thể $5\text{ mm}$. Cơ cấu gồm 4 chân đàn hồi uốn cong theo chiều kim đồng hồ với chiều dày mỗi chân là $0{,}9\text{ mm}$. Ở tâm có 1 lỗ vuông kích thước $9\text{ mm}$ được bo tròn fillet $3\text{ mm}$ nối với đường cong spline, xung quanh có 4 lỗ định vị kẹp bu lông.

2. Nhóm tác giả đã thử nghiệm bao nhiêu trường hợp phối trộn vật liệu và khối lượng mỗi trường hợp là bao nhiêu?
Nghiên cứu khảo sát 5 trường hợp với tổng khối lượng vật liệu cho mỗi trường hợp là $700\text{ g}$:

• Case 1: 100% PLA (700g PLA, 0g TPU)
• Case 2: 90% PLA - 10% TPU (630g PLA, 70g TPU)
• Case 3: 80% PLA - 20% TPU (560g PLA, 140g TPU)
• Case 4: 70% PLA - 30% TPU (490g PLA, 210g TPU)
• Case 5: 60% PLA - 40% TPU (420g PLA, 280g TPU)

3. Thông số kỹ thuật của máy đo độ bền xoắn được sử dụng trong nghiên cứu gồm những gì?
Máy thử nghiệm có công suất $40\text{ W}$, kích thước $985 \times 400 \times 433\text{ mm}$, khối lượng $108\text{ kg}$, sử dụng nguồn điện $220\text{V AC}$. Máy có dải đo mô-men xoắn từ $0 - 300\text{ N}\cdot\text{m}$, độ phân giải đo góc $0{,}001^\circ$ và vận hành ở tốc độ quay $45^\circ/\text{s}$.

4. Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) trong MATLAB sử dụng những biến đầu vào nào để dự đoán mô-men xoắn?
Mô hình ANN sử dụng 8 biến đầu vào gồm: tỷ lệ phần trăm phối trộn PLA, tỷ lệ phần trăm phối trộn TPU, áp suất phun ($P_{\text{injection}}$), áp suất giữ ($P_{\text{holding}}$), nhiệt độ nhựa ($T_{\text{melt}}$), nhiệt độ khuôn ($T_{\text{mold}}$), thời gian giữ ($T_{\text{holding}}$) và góc xoay. Biến đầu ra mục tiêu cần dự đoán là mô-men xoắn (Torque moment).

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã hoàn thành toàn diện việc nghiên cứu chế tạo và đánh giá độ bền xoắn của sản phẩm composite PLA/TPU ứng dụng cơ cấu khớp mô-men không đổi (CTJM). Thông qua quy trình thực nghiệm ép phun trên máy Haitian MA 1200III và thử nghiệm cơ tính trên hệ thống đo chuyên dụng, nghiên cứu đã làm rõ ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn vật liệu đến đặc tính uốn xoay và góc gãy xoắn của chi tiết. Đồng thời, việc ứng dụng thành công mô hình mạng nơ-ron nhân tạo ANN trong MATLAB đã chứng minh tiềm năng của việc kết hợp mô phỏng học máy với thực nghiệm cơ học trong việc dự đoán và tối ưu hóa chất lượng sản phẩm ép phun polymer.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION PROJECT MECHANICAL ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH ON THE TORSIONAL STRENGTH OF COMPOSITE PRODUCTS MANUFACTURED FROM THE PLASTIC INJECTION MOLDING PROCESS LECTURER: PhD. NGUYEN VAN PHUC STUDENT: TRAN MINH DAT CAO NGUYEN HOANG TIEN NGUYEN MINH DUC SKL012637 Ho Chi Minh City, March 2024 MINISTRY OF EDUCATION & TRAINING HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION GRADUATION PROJECT RESEARCH ON THE TORSIONAL STRENGTH OF COMPOSITE PRODUCTS MANUFACTURED FROM THE PLASTIC INJECTION MOLDING PROCESS Advisor: Ph.D Nguyen Van Thuc Students: Tran Minh Dat 19144065 Cao Nguyen Hoang Tien 19144330 Nguyen Minh Duc 19144063 Major: Mechanical Engineering Technology Year of Admission: 2019 – 2023 Ho Chi Minh City, March 2024 HCMC UNIVERSITY OF THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM TECHNOLOGY AND EDUCATION Independence – Freedom – Hapiness Faculty of International Education ----o0o---- Ho Chi Minh City, October 01, 2023 GRADUATION THESIS PROJECT TASKS Instructor’s full name: Mr. Nguyen Van Thuc Full name of student: Tran Minh Dat Student ID: 19144065 Nguyen Minh Duc Student ID: 19144063 Cao Nguyen Hoang Tien Student ID: 19144330 Major: Mechanical Engineering Technology Forms of training: Formal training Year of Admission: 2019 – 2023 Class: 19144CLA Date of delivery: 01/10/2023 Task complete date: 14/03/2024 I. THESIS NAME Investigating the torsional strength of composite products manufactured through the plastic injection molding process.

INITIAL FIGURES AND DOCUMENTS − Figure trial: according to torsion strength standards, or a specific product. − Material: composite plastic substrate (PLA, TPU). − Prototyping method: plastic injection molding. CONTENT OF IMPLEMENTATION − Overview of plastic injection molding technology.

− Overview of materials used for flexible moment-resistant structures. − Manufacturing prototypes corresponding to various components of composite materials. − Torsional durability testing, statistical analysis and synthesis of results V. EXPECTED PRODUCTS: − Realistic product model.

PRESENTATION LANGUAGE − Report Document: English ☒ Vietnamese ☐ − Thesis Defense Presentation: English ☒ Vietnamese ☐ INSTRUCTORS AUTOMATIC CONTROL (Sign and write full name) DEPARTMENT (Signed & stamped) HCMC UNIVERSITY OF THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM TECHNOLOGY AND EDUCATION Independence – Freedom – Hapiness Faculty of International Education ----o0o---- Ho Chi Minh City, October 1, 2023 ASSESSMENT FORM OF INSTRUCT LECTURER Full name of student 1: Tran Minh Dat Student ID: 19144065 Full name of student 2: Nguyen Minh Duc Student ID: 19144063 Full name of student 3: Cao Nguyen Hoang Tien Student ID: 19144330 Major: Mechanical Engineering Technology Year of admission: 2019 – 2023 Class: 19144CLA Full name Instructor: Mr. Nguyen Van Thuc Thesis name: Investigating The Torsional Strength Of Composite Products Manufactured Through The Plastic Injection Molding Process. Regarding the topic content and implementation volume:. Recommend for defend graduation thesis or not?.

) INSTRUCTORS (Sign and write full name) HCMC UNIVERSITY OF THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM TECHNOLOGY AND EDUCATION Independence – Freedom – Hapiness Faculty of International Education ----o0o---- Ho Chi Minh City, March 14, 2024 GUARANTEE We hereby commit that the research presented in this graduate thesis is done by ourselves. Excerpts and images used in the thesis are attached to their references, which are made public following the rules. Project Executor Student 1 Student 2 Student 3 Tran Minh Dat Nguyen Minh Duc Cao Nguyen Hoang Tien ACKNOWLEDGEMENT I would like to extend my sincere appreciation and gratitude to Mr. Pham Son Minh, Mr.

Tran Minh The Uyen, Mr. Nguyen Van Thuc and all the professors in the faculty committee for their invaluable support and guidance, which have been instrumental in helping our team successfully complete our graduation project to the best of our abilities. We are humbled and honored to have had the opportunity to work under your guidance and supervision throughout the 5-month project implementation. Your dedication, passion, and commitment to our academic growth have made a lasting impact on our development as aspiring professionals.

We would also like to express our gratitude to the entire faculty for providing us with a conducive learning environment and the necessary resources to carry out our project effectively. Your unwavering support and commitment to fostering our academic growth have been invaluable. Once again, we extend our heartfelt thanks to Mr.