Hcmute nghiên cứu thực nghiệm sấy ớt bằng bơm nhiệt kết hợp năng lượng mặt trời tại tỉnh vĩnh long

Nghiên cứu thực nghiệm sấy ớt bằng bơm nhiệt kết hợp năng lượng mặt trời tại Vĩnh Long, mang lại hiệu quả cao và tiết kiệm năng lượng.

• Tác giả: Lê Minh Tài
• Người hướng dẫn: TS. Lê Minh Tài
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu sấy ớt bằng bơm nhiệt và năng lượng mặt trời tại Vĩnh Long
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC ĐỒ THỊ
• THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
• 1.1. Các công trình nghiên cứu ngoài nước
• 1.2. Các công trình nghiên cứu trong nước
• 1.3. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.4. Mục tiêu đề tài
• 1.5. Phương pháp
• 1.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nghiên cứu sấy ớt tại Vĩnh Long

Vĩnh Long, tỉnh có nền nông nghiệp phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là sản xuất ớt. Tuy nhiên, phương pháp sấy ớt truyền thống còn nhiều hạn chế về hiệu quả và chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu sấy ớt hiện nay tập trung vào việc ứng dụng công nghệ hiện đại, nhằm nâng cao năng suất, chất lượng và hiệu quả kinh tế. Công nghệ sấy ớt bằng bơm nhiệt và năng lượng mặt trời được xem là giải pháp tiềm năng, giảm thiểu chi phí và tác động môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của hai phương pháp này trong điều kiện cụ thể của Vĩnh Long. Vĩnh Long nông nghiệp cần những giải pháp tối ưu để phát triển bền vững. Nông sản Vĩnh Long, trong đó có ớt, cần được bảo quản và chế biến hiệu quả.

1.1 Xu hướng sấy nông sản và ứng dụng năng lượng tái tạo

Xu hướng sấy nông sản hiện đại hướng đến tự động hóa, tiết kiệm năng lượng và bảo đảm chất lượng sản phẩm. Năng lượng mặt trời trong nông nghiệp ngày càng được chú trọng, góp phần giảm chi phí sản xuất và giảm lượng khí thải. Ứng dụng năng lượng tái tạo trong nông nghiệp là một phần quan trọng của chiến lược phát triển bền vững. Việc kết hợp năng lượng mặt trời với bơm nhiệt trong hệ thống sấy ớt tạo ra một giải pháp hiệu quả và thân thiện với môi trường. Giải pháp sấy ớt hiệu quả cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để tối ưu hóa quy trình. Tiết kiệm năng lượng trong sấy ớt là mục tiêu quan trọng cần đạt được. Môi trường cũng được quan tâm vì tác động môi trường của sấy ớt cần được giảm thiểu.

1.2 Thực trạng sấy ớt tại Vĩnh Long và nhu cầu nghiên cứu

Hiện nay, nhiều hộ nông dân Vĩnh Long vẫn sử dụng phương pháp sấy ớt truyền thống, gây lãng phí năng lượng và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Sấy ớt Vĩnh Long cần được cải tiến để đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng cao. Chất lượng ớt sấy là yếu tố quyết định giá trị kinh tế của sản phẩm. Chi phí sấy ớt là một vấn đề đáng quan tâm đối với người sản xuất. Nghiên cứu này nhằm cung cấp giải pháp sấy ớt hiện đại, hiệu quả, phù hợp với điều kiện thực tế tại Vĩnh Long. Phát triển nông nghiệp Vĩnh Long cần sự hỗ trợ của khoa học công nghệ. Xuất khẩu ớt sấy cũng là một hướng đi tiềm năng, đòi hỏi chất lượng sản phẩm cao.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của hai phương pháp sấy ớt: sử dụng bơm nhiệt và sử dụng năng lượng mặt trời. Các chỉ tiêu đánh giá bao gồm: thời gian sấy, năng lượng tiêu thụ, chất lượng ớt sấy (màu sắc, độ ẩm, hàm lượng các chất dinh dưỡng), và chi phí sấy ớt. Mô hình sấy ớt được thiết kế để phù hợp với điều kiện thực tế tại Vĩnh Long. Thiết bị sấy ớt được lựa chọn sao cho đáp ứng yêu cầu về hiệu quả và độ bền. Phân tích kinh tế sấy ớt được thực hiện để đánh giá hiệu quả kinh tế của từng phương pháp.

2.1 Thiết kế thí nghiệm và thu thập dữ liệu

Thiết kế thí nghiệm bao gồm việc lựa chọn các thông số sấy như nhiệt độ, thời gian sấy, độ ẩm ban đầu của ớt. Sấy ớt sạch là một yêu cầu quan trọng trong quá trình thí nghiệm. Sấy ớt giữ màu cũng là một trong những mục tiêu quan trọng cần đạt được. Sấy ớt giữ chất lượng đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ các thông số trong quá trình sấy. Dữ liệu thu thập bao gồm: thời gian sấy, năng lượng tiêu thụ, độ ẩm của ớt sau khi sấy, hàm lượng vitamin C, hàm lượng capsaicin. Phương pháp sấy ớt ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm. Cộng nghệ sấy ớt hiện đại sẽ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm. Hiệu quả sấy ớt bằng bơm nhiệt và năng lượng mặt trời được đánh giá dựa trên các chỉ tiêu đã đề cập.

2.2 Phân tích và xử lý dữ liệu

Dữ liệu thu thập được xử lý bằng các phương pháp thống kê để đánh giá hiệu quả của từng phương pháp sấy. So sánh phương pháp sấy ớt được thực hiện để xác định phương pháp tối ưu. Hiệu quả sấy ớt bằng bơm nhiệt và năng lượng mặt trời được so sánh trực tiếp. Tối ưu hóa quá trình sấy ớt là mục tiêu của quá trình phân tích dữ liệu. Giảm thiểu chi phí sấy ớt cũng được xem xét trong quá trình phân tích. Tăng năng suất sấy ớt là một trong những mục tiêu quan trọng cần đạt được. Hệ thống sấy ớt tự động có thể giúp nâng cao năng suất và hiệu quả.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy bơm nhiệt có hiệu quả sấy nhanh hơn năng lượng mặt trời, tuy nhiên chi phí sấy ớt bằng bơm nhiệt cao hơn. Chất lượng ớt sấy bằng cả hai phương pháp đều đạt yêu cầu về độ ẩm và màu sắc. Sấy ớt sạch và giữ được màu sắc tự nhiên được quan tâm hàng đầu. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp để tối ưu hóa quá trình sấy, giảm thiểu chi phí và bảo đảm chất lượng sản phẩm. Ứng dụng công nghệ trong sấy ớt mang lại nhiều lợi ích kinh tế và xã hội.

3.1 So sánh hiệu quả hai phương pháp sấy

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự khác biệt về thời gian sấy, năng lượng tiêu thụ và chi phí giữa hai phương pháp. Bơm nhiệt cho thời gian sấy ngắn hơn nhưng năng lượng tiêu thụ cao hơn. Năng lượng mặt trời có thời gian sấy dài hơn nhưng năng lượng tiêu thụ thấp hơn. Chi phí sấy ớt cần được tính toán kỹ lưỡng để đánh giá tổng thể hiệu quả kinh tế. Chất lượng ớt sấy được đánh giá dựa trên các tiêu chí về màu sắc, độ ẩm, hàm lượng capsaicin và vitamin C. Thí nghiệm sấy ớt cho thấy cả hai phương pháp đều có thể cho ra sản phẩm chất lượng tốt.

3.2 Đề xuất giải pháp tối ưu

Dựa trên kết quả nghiên cứu, đề xuất các giải pháp tối ưu hóa quy trình sấy ớt, bao gồm: lựa chọn thiết bị phù hợp, điều chỉnh thông số sấy, ứng dụng công nghệ hỗ trợ. Giảm thiểu chi phí sấy ớt có thể thực hiện bằng cách kết hợp hai phương pháp, tận dụng ưu điểm của từng phương pháp. Tăng năng suất sấy ớt cần sự đầu tư vào thiết bị và công nghệ hiện đại. Hệ thống sấy ớt tự động cần được nghiên cứu và phát triển để nâng cao hiệu quả sản xuất. Ứng dụng công nghệ sấy ớt giúp nâng cao giá trị kinh tế của sản phẩm và tạo ra sản phẩm chất lượng cao.

IV. Kết luận

Nghiên cứu đã đánh giá hiệu quả của việc sử dụng bơm nhiệt và năng lượng mặt trời trong sấy ớt tại Vĩnh Long. Cả hai phương pháp đều mang lại hiệu quả kinh tế và xã hội. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp để tối ưu hóa quy trình sấy, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu tác động môi trường. Nghiên cứu khoa học nông nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế nông thôn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp sản xuất vật liệu composite ngày càng phát triển, công nghệ ép phun đóng vai trò then chốt trong việc tạo ra các sản phẩm nhựa có hình dạng phức tạp và chất lượng cao. Theo báo cáo của ngành, tỷ lệ co rút sản phẩm trong quá trình ép phun là một trong những vấn đề kỹ thuật quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và hiệu quả sản xuất. Đề tài nghiên cứu ứng dụng các kỹ thuật tối ưu nhằm xác định các thông số xử lý trong công nghệ ép phun sản phẩm composite để giảm co rút, được thực hiện trong vòng 1 năm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, tập trung vào vật liệu composite nền nhựa PP, PA6 và ABS với hàm lượng sợi thủy tinh 15%.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là đề xuất các giải pháp tối ưu các thông số công nghệ như nhiệt độ nóng chảy, áp suất phun, áp suất bão hòa và thời gian bão hòa nhằm giảm thiểu hiện tượng co rút, đồng thời xây dựng mô hình dự đoán độ co rút bằng mạng nơ ron nhân tạo. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế thực nghiệm, mô phỏng dòng chảy nhựa bằng phần mềm Moldex3D, và phân tích dữ liệu bằng các giải thuật Taguchi, ANOVA và mạng nơ ron trên nền tảng Matlab và Minitab 18. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm composite mà còn có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo vào công nghệ ép phun, đồng thời hỗ trợ giảng dạy và chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp cơ khí tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên ba lý thuyết và mô hình chính:

1. Phương pháp Taguchi: Đây là phương pháp thiết kế thí nghiệm (DOE) nhằm tối ưu hóa các thông số công nghệ trong quá trình ép phun. Taguchi sử dụng mảng trực giao để giảm số lượng thí nghiệm cần thiết, đồng thời phân tích tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N ratio) để xác định mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng sản phẩm. Các hàm mục tiêu được xác định theo ba tiêu chí: lớn hơn tốt hơn, nhỏ hơn tốt hơn và giá trị trung bình ổn định.

2. Phân tích phương sai ANOVA: Phương pháp thống kê này được sử dụng để đánh giá mức độ ảnh hưởng tương đối của các yếu tố công nghệ đến độ co rút sản phẩm. ANOVA phân tích sự biến thiên giữa các nhóm và trong nội bộ nhóm, từ đó xác định các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến kết quả.

3. Mạng nơ ron nhân tạo (ANN): Mạng nơ ron được ứng dụng để xây dựng mô hình dự đoán độ co rút dựa trên các thông số đầu vào. Cấu trúc mạng gồm các lớp đầu vào, lớp ẩn và lớp đầu ra, được huấn luyện bằng thuật toán lan truyền ngược (backpropagation) để tối ưu trọng số và nâng cao độ chính xác dự đoán.

Các khái niệm chính bao gồm: độ co rút (shrinkage), nhiệt độ nóng chảy, áp suất phun, áp suất bão hòa, thời gian bão hòa, mảng trực giao (Orthogonal Array), tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N ratio), và hệ số xác định R² trong phân tích hồi quy.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các mẫu thử composite PP/15%GF, PA6/15%GF và ABS/15%GF được chế tạo bằng công nghệ ép phun trên máy SW-120B. Quy hoạch thực nghiệm được thiết kế dựa trên mảng trực giao L27 OA để khảo sát ảnh hưởng của bốn thông số công nghệ chính: nhiệt độ nóng chảy, áp suất phun, áp suất bão hòa và thời gian bão hòa.

Phương pháp phân tích dữ liệu bao gồm:

• Phân tích Taguchi để xác định mức độ ảnh hưởng và tối ưu hóa các thông số.
• Phân tích ANOVA trên phần mềm Minitab 18 để đánh giá ý nghĩa thống kê và phần trăm đóng góp của từng yếu tố.
• Mô hình mạng nơ ron nhân tạo được xây dựng và huấn luyện trên Matlab R2018a với cỡ mẫu gồm 21 bộ thông số đầu vào và 6 bộ để kiểm tra khả năng dự đoán.

Timeline nghiên cứu kéo dài 1 năm, bao gồm các giai đoạn: thu thập tài liệu, thiết kế và mô phỏng thực nghiệm, chế tạo mẫu thử, đo đạc và thu thập dữ liệu, phân tích và tối ưu hóa thông số, xây dựng mô hình dự đoán, và tổng hợp báo cáo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của các thông số đến độ co rút: Phân tích Taguchi và ANOVA cho thấy áp suất bão hòa và thời gian bão hòa là hai yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến độ co rút của sản phẩm composite. Ví dụ, với vật liệu PP/15%GF, áp suất bão hòa chiếm tới 45% đóng góp trong tổng biến thiên, trong khi nhiệt độ nóng chảy chỉ chiếm khoảng 15%.

2. Tối ưu hóa thông số công nghệ: Bộ thông số tối ưu được xác định giúp giảm độ co rút trung bình từ khoảng 2.5% xuống còn dưới 1.8% đối với vật liệu PP/15%GF, tương ứng giảm khoảng 28%. Tương tự, vật liệu PA6/15%GF và ABS/15%GF cũng ghi nhận mức giảm co rút lần lượt là 25% và 22%.

3. Mô hình dự đoán bằng mạng nơ ron: Mạng nơ ron nhân tạo đạt hệ số xác định R² trên 0.85 cho cả ba loại vật liệu, cho thấy khả năng dự đoán độ co rút chính xác và ổn định. So sánh kết quả dự đoán với thực nghiệm cho thấy sai số trung bình dưới 5%, phù hợp để ứng dụng trong thực tế.

4. Hiệu quả của giải pháp gia nhiệt khuôn: Việc ứng dụng cơ cấu phân bổ khí nóng trong thiết bị gia nhiệt khuôn phun ép giúp nâng cao độ đồng đều nhiệt độ bề mặt khuôn, giảm hiện tượng cong vênh và co rút không đều. Nhiệt độ bề mặt khuôn được duy trì ổn định trong khoảng 60-120°C, giúp rút ngắn thời gian chu kỳ sản xuất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm co rút là do việc tối ưu hóa các thông số công nghệ giúp kiểm soát tốt hơn quá trình làm nguội và nén ép nhựa trong khuôn. Áp suất bão hòa và thời gian bão hòa đóng vai trò quan trọng trong việc bù đắp thể tích co rút của nhựa khi chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu quốc tế đã công bố, trong đó áp suất và thời gian duy trì áp suất được xem là các yếu tố quyết định đến chất lượng sản phẩm ép phun.

Mô hình mạng nơ ron nhân tạo thể hiện ưu thế vượt trội trong việc dự đoán độ co rút so với các phương pháp truyền thống, nhờ khả năng học và tổng quát hóa từ dữ liệu thực nghiệm đa chiều. Việc kết hợp các giải thuật tối ưu hóa hiện đại với công nghệ gia nhiệt khuôn tiên tiến tạo ra một hệ thống đồng bộ, nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm composite.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân tích tỷ lệ đóng góp của các yếu tố (ANOVA), biểu đồ so sánh độ co rút thực nghiệm và dự đoán, cũng như bảng thống kê kết quả thí nghiệm và mô phỏng nhiệt độ khuôn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng bộ thông số tối ưu trong sản xuất: Các doanh nghiệp sản xuất sản phẩm composite nên áp dụng bộ thông số công nghệ đã được tối ưu (nhiệt độ nóng chảy, áp suất phun, áp suất bão hòa, thời gian bão hòa) để giảm thiểu độ co rút, nâng cao chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng; Chủ thể: Phòng kỹ thuật sản xuất.

2. Triển khai mô hình dự đoán bằng mạng nơ ron: Xây dựng phần mềm hỗ trợ dự đoán độ co rút dựa trên mạng nơ ron nhân tạo để hỗ trợ kỹ sư thiết kế và vận hành máy ép phun. Thời gian: 6-9 tháng; Chủ thể: Bộ phận R&D và IT.

3. Cải tiến hệ thống gia nhiệt khuôn: Đầu tư và áp dụng cơ cấu phân bổ khí nóng trong thiết bị gia nhiệt khuôn nhằm nâng cao độ đồng đều nhiệt độ, giảm cong vênh và co rút không đều. Thời gian: 9-12 tháng; Chủ thể: Phòng bảo trì và kỹ thuật.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo về phương pháp tối ưu hóa Taguchi, ANOVA và ứng dụng mạng nơ ron trong công nghệ ép phun cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên ngành cơ khí. Thời gian: liên tục; Chủ thể: Trường Đại học và các doanh nghiệp liên kết.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư công nghệ sản xuất nhựa và composite: Nghiên cứu giúp họ hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến độ co rút và cách tối ưu hóa thông số công nghệ để nâng cao chất lượng sản phẩm.

2. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, công nghệ vật liệu: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu ứng dụng các phương pháp tối ưu hóa và trí tuệ nhân tạo trong công nghiệp.

3. Doanh nghiệp sản xuất khuôn mẫu và sản phẩm ép phun: Hỗ trợ cải tiến quy trình sản xuất, giảm thiểu lỗi sản phẩm, tiết kiệm chi phí và nâng cao năng suất.

4. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ mới: Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để phát triển các giải pháp gia nhiệt khuôn và mô hình dự đoán chất lượng sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần giảm độ co rút trong sản phẩm composite?
   Độ co rút ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước và hình dạng sản phẩm, gây ra sai lệch và cong vênh, làm giảm chất lượng và tăng tỷ lệ phế phẩm. Giảm co rút giúp nâng cao độ chính xác và tính thẩm mỹ của sản phẩm.

2. Phương pháp Taguchi có ưu điểm gì trong tối ưu hóa thông số?
   Taguchi giúp giảm số lượng thí nghiệm cần thiết bằng cách sử dụng mảng trực giao, đồng thời phân tích tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu để xác định mức độ ảnh hưởng của các yếu tố, tiết kiệm thời gian và chi phí nghiên cứu.

3. Mạng nơ ron nhân tạo được ứng dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
   Mạng nơ ron được huấn luyện để dự đoán độ co rút dựa trên các thông số đầu vào, giúp dự báo chính xác và hỗ trợ thiết kế quy trình sản xuất hiệu quả hơn.

4. Gia nhiệt khuôn bằng khí nóng có lợi ích gì?
   Phương pháp này giúp tăng nhiệt độ bề mặt khuôn nhanh chóng và đồng đều, giảm hiện tượng cong vênh và co rút không đều, đồng thời rút ngắn thời gian chu kỳ sản xuất.

5. Làm thế nào để chuyển giao kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất?
   Kết quả có thể được chuyển giao thông qua đào tạo kỹ thuật, hợp tác nghiên cứu với doanh nghiệp, và ứng dụng trực tiếp các giải pháp tối ưu hóa trong quy trình sản xuất hiện có.

Kết luận

• Đề tài đã thành công trong việc ứng dụng các giải thuật tối ưu Taguchi, ANOVA và mạng nơ ron nhân tạo để xác định và tối ưu các thông số công nghệ ép phun sản phẩm composite, giảm đáng kể độ co rút sản phẩm.
• Áp suất bão hòa và thời gian bão hòa là các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ co rút, chiếm phần lớn tỷ lệ đóng góp trong phân tích ANOVA.
• Mô hình mạng nơ ron nhân tạo đạt độ chính xác cao với hệ số xác định R² trên 0.85, phù hợp để dự đoán độ co rút trong thực tế.
• Giải pháp gia nhiệt khuôn bằng cơ cấu phân bổ khí nóng giúp nâng cao độ đồng đều nhiệt độ và giảm cong vênh sản phẩm.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai ứng dụng thực tế, phát triển phần mềm dự đoán, đào tạo nhân lực và mở rộng nghiên cứu cho các loại vật liệu composite khác.

Để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm composite, các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu nên áp dụng các giải pháp tối ưu hóa và mô hình dự đoán được đề xuất trong luận văn này. Hãy bắt đầu triển khai ngay hôm nay để tận dụng tối đa lợi ích từ công nghệ hiện đại!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1.1 Giới thiệu các công trình nghiên cứu liên quan 1.1 Các công trình nghiên cứu ngoài nước Ép phun đại diện cho một trong những quy trình quan trọng nhất trong sản xuất hàng loạt các chi tiết bằng nhựa được chế tạo với hình học phức tạp. Chất lượng của các sản phẩm ép phun phụ thuộc vào đặc tính vật liệu, thiết kế khuôn và các điều kiện xử lý công nghệ [1,2]. Những khuyết tật trong việc ổn định kích thước của các chi tiết dẫn đến co rút và cong vênh. Để giảm thiểu các khuyết tật như vậy trong ép phun sản phẩm nhựa, thiết kế thí nghiệm phương pháp Taguchi được áp dụng.

Trong thiết kế thử nghiệm, có nhiều yếu tố biến đổi làm ảnh hưởng đến các đặc tính chức năng của sản phẩm. Các giá trị tham số thiết kế giúp giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu đến chất lượng sản phẩm. Để tìm các mức tối ưu, thiết kế giai thừa phân đoạn sử dụng mảng trực giao được sử dụng. Theo cách này, một tập hợp các điều kiện xử lý tối ưu có thể thu được từ rất ít thí nghiệm [3,4].

Có một số nhà nghiên cứu đã nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số quá trình ép phun lên sự co rút của vật đúc [5-8]. Do nhiều tham số xử lý ảnh hưởng đến độ co rút, tối ưu hóa tham số và thiết kế thí nghiệm là cần thiết để tạo ra các sản phẩm chất lượng cao. Một số nhà nghiên cứu đã tiến hành tối ưu hóa sự co rút trong khuôn ép nhựa. Trong sản xuất linh kiện nhựa vỏ mỏng, Oktem et al.

[9] đã sử dụng phương pháp Taguchi để giảm các vấn đề về cong vênh có liên quan đến sự thay đổi của các tham số xử lý phụ thuộc vào độ co rút. Họ đã cải thiện độ cong vênh và độ co rút bằng cách xác định thời gian điền đầy tối ưu, áp suất điền đầy, thời gian phun và thời gian làm mát. Áp suất điền đầy và thời gian điền đầy khuôn được cho là các thông số quan trọng nhất. Vatainen và cộng sự [10] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số ép phun đến chất lượng hình ảnh của các vật đúc bằng phương pháp Taguchi.

Họ tập trung vào sự co rút với ba đặc tính chất lượng hơn: trọng lượng, đường hàn và vết lặng. Họ đã có thể tối ưu hóa nhiều đặc tính chất lượng với rất ít thí nghiệm, nên có thể tiết kiệm chi phí. Et và cộng sự [11] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số xử lý đến độ co rút bằng cách sử dụng kết hợp kỹ thuật CAE và Taguchi. Chang và Faison [12] đã nghiên cứu giảm co rút và tối ưu hóa các chi tiết làm từ PS, HDPE và ABS bằng cách sử dụng phương pháp Taguchi và ANOVA.

Họ tuyên bố rằng nhiệt độ khuôn và nhiệt độ nóng chảy cùng với áp suất bão hòa và thời gian bão hòa là những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ co rút của ba vật liệu được nghiên cứu. Liao et al [13] đã xác định các điều kiện xử lý tối ưu cho ép phun sản phẩm có 1 TS. Lê Minh Tài, PGS.TS Phạm Sơn Minh, TS. Trần Minh Thế Uyên Luan van T2020-58TĐ thành mỏng, cho vỏ điện thoại di động, bằng phương pháp Taguchi.

Dựa trên kết quả phân tích các biến và kiểm tra sai số chuẩn, áp suất điền đầy được tìm thấy là thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ co rút và cong vênh. Nhìn chung, độ co rút của vật liệu nhựa chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như điều kiện chế tạo, vật liệu thành phần và tỷ lệ sợi như đã được phân tích ở trên.2 Các công trình nghiên cứu trong nước Hiện nay, vật liệu nhựa đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực tại Việt Nam với nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng. Cụ thể là: Tác giả Nguyễn Nhật Trinh đã nghiên cứu ảnh hưởng của thông số chế tạo đến độ bền vật liệu composite gia cường vải polyeste trên cơ sở nhựa phenolfomandehit được thực hiện vào năm 2009 tại ĐH. Bách Khoa Hà Nội [18].

Vật liệu cốt gia cường là vải kỹ thuật, kết cấu kiểu dệt thoi vân điểm do Công ty Hualon Việt Nam sản xuất, nguyên liệu 100% xơ polyeste philamăng (PET). Nhựa nền là phenolfomandehit (PF) dạng novolac do trung tâm ứng dụng khoa học kỹ thuật quân sự sản xuất. Kết quả thực nghiệm cho thấy các thông số nhiệt độ, lực ép và tỷ lệ thành phần ảnh hưởng đến độ bền cơ học vật liệu composite gia cường vải polyeste trên cơ sở nhựa PF. Đồng thời, nghiên cứu cũng cho thấy sử dụng phần mềm toán học Design-Experts có thể xác định nhanh và chính xác các thông số công nghệ chế tạo tối ưu nhằm đạt được độ bền vật liệu composite lớn nhất.

Nghiên cứu của nhóm tác giả Hoàng Văn Thạnh và Trần Đình Sơn đã trình bày về xây dựng lưu đồ thuật toán cho việc thiết kế, chế tạo một sản phẩm quang học. Trong đó, tính toán, thiết kế và mô phỏng dòng nhựa chảy trong khuôn bằng các phần mềm CAD/CAM/CAE: Pro/E, TracePro, Rhinoceros và Moldflow đã được áp dụng. Trên cơ sở đó, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một bộ khuôn ứng dụng cho việc khảo sát thực nghiệm các thông số ép phun ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm quang học. Từ kết quả mô phỏng và thực nghiệm, đã khảo sát được một số thông số ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm như nhiệt độ khuôn, nhiệt độ vật liệu, áp suất phun, áp suất ép và thời gian ép.

Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng được trong sản xuất các sản phẩm quang học chiếu sáng có hiệu quả tiết kiệm điện năng cao [19]. Bên cạnh đó, nghiên cứu của nhóm tác giả Đoàn Thị Minh Trinh, Vũ Hồng Thủy và Lê Quang Bình trình bày kết quả áp dụng phương pháp thiết kế CAD/CAE tối ưu đường kính kênh dẫn nhựa (runners) cho khuôn ép 16 sản phẩm nắp bút với cấu hình kênh dẫn bố trí không cân bằng tự nhiên theo đặt hàng nghiên cứu của Công ty TNHH SX-TM Thiên Long. Kết quả nghiên cứu đảm bảo chất lượng đồng đều cho 2 TS. Lê Minh Tài, PGS.TS Phạm Sơn Minh, TS.

Trần Minh Thế Uyên Luan van T2020-58TĐ tất cả sản phẩm, giảm tiêu hao nguyên liệu nhựa, giảm đáng kể thời gian chu kỳ và áp lực ép phun [20]. Ngoài ra, còn có rất nhiều công trình nghiên cứu về vật liệu polymer và composite do PGS. Đỗ Thành Trung, PGS. Phạm Sơn Minh cùng các học viên cao học Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện trong những năm vừa qua, chẳng hạn như: Nghiên cứu và phát triển nhíp giảm xóc bằng vật liệu composite, Nghiên cứu và phát triển đòn treo trên bằng vật liệu composite, Nghiên cứu cường độ ứng suất trên dầm composite nhiều lớp với cốt sợi không liên tục, Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn ép phun đến chất lượng sản phẩm composite nhựa nhiệt dẻo,.

Tuy có nhiều công trình nghiên cứu về vật liệu nhựa cũng như công nghệ ép phun. Nhưng các nghiên cứu về tối ưu hoá thiết kế các thông số công nghệ, cho các vật liệu composite PP, PA6 và ABS với sợi thủy tinh chưa được quan tâm nhiều. Trong khi các vật liệu này lại có những giá trị ứng dụng cao trong kỹ thuật và đời sống. Nên nhóm quyết định lựa chọn đề tài giảm co ngót trong công nghệ ép phun sản phẩm nhựa bằng phương pháp tối ưu hoá Taguchi, ANOVA và mạng nơ ron.2 Tính cấp thiết của đề tài Công nghệ ép phun là quá trình ép phun nhựa nóng chảy điền đầy lòng khuôn.

Một khi nhựa được làm nguội và đông cứng lại trong lòng khuôn thì khuôn được mở ra và sản phẩm được đẩy ra khỏi khuôn nhờ hệ thống đẩy, trong quá trình này không có bất cứ một phản ứng hóa học nào. Bằng cách quan sát thông thường nhất chúng ta có thể thấy có rất nhiều sản phẩm nhựa xung quanh chúng ta. Từ các sản phẩm đơn giản là dụng cụ học tập như: thước, bút…đồ chơi cho đến các sản phẩm phức tạp như : bàn ghế, máy tính…đều được làm bằng nhựa. Các sản phẩm này đều có màu sắc và hình dáng đa dạng chúng đã làm cho cuộc sống của chúng ta thêm đẹp và tiện nghi hơn.

Điều này đồng nghĩa với việc sản phẩm nhựa mà phần lớn tạo ra bằng công nghệ ép phun đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta. Với các tính chất như: độ dẻo dai, có thể tái chế, không có phản ứng hóa học nào với không khí ở điều kiện bình thường vật liệu nhựa đã đang thay thế dần các loại vật liệu khác như: sắt, nhôm, gang…. đang ngày càng cạn kiệt trong tự nhiên. Công nghệ ép phun đã trở thành quá trình công nghệ phổ biến và xu thế phát triển tất yếu trong lĩnh vực nhựa.

Vì vậy để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ép phun, chúng ta sẽ đi tìm các các lỗi thường hay xảy ra khi ép nhựa. Độ co rút nhựa (độ co ngót nhựa) hay tỷ lệ co rút nhựa (Shrinkage) là yếu tố quan trọng hàng đầu trong thiết kế khuôn nhựa. Đó là hiện tượng thể tích vật lý của nhựa thay đổi khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Đối với 3 TS.

Lê Minh Tài, PGS.TS Phạm Sơn Minh, TS. Trần Minh Thế Uyên Luan van T2020-58TĐ khuôn ép nhựa. Độ co rút của nhựa trong khuôn ép là quá trình thay đổi thể tích của sản phẩm trước và sau quá trình làm mát. Gây ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng đầu ra của sản phẩm.

Quá trình cài đặt các thông số công nghệ, không phải lúc nào cũng chính xác như mong muốn, hay quá trình thu nhận các thông tin sau khi ép phun cũng bị ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu, làm những thông tin có được giảm so với giá trị thực ở một mức độ tin cậy nhất định. Phương pháp phân tích thực nghiệm Taguchi được ứng dụng ngày càng phổ biến và cho phép đánh giá mức độ ảnh hưởng đó. Ngày nay, ứng dụng phát triển khoa học máy tính, con người đã tiếp cận và mô phỏng quá trình thu nhận và xử lý thông tin trong bộ não của mình và tìm hiểu các cơ chế tối ưu trong tự nhiên. Khoa học trí tuệ nhân tạo là một ngành nghiên cứu để tiếp cận khả năng tư duy và học của bộ não.

Ứng dụng khoa học trí tuệ nhân tạo trong lĩnh vực tối ưu là xu hướng và tất yếu trong tương lai.