Nghiên Cứu Thiết Kế Và Chế Tạo Máy Ép Viên Gốm Áp Điện Từ Bột Thạch Anh

Tài liệu nghiên cứu Nghiên ứu thiết kế và chế tạo kết cấu máy ép và quy trình sản xuất viên gốm áp điện từ bột thạch anh, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức

• Tác giả: Vũ Thị Hà
• Người hướng dẫn: PGS-TS. Hoàng Vĩnh Sinh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Và Chế Tạo Kết Cấu Máy Ép Và Quy Trình Sản Xuất Viên Gốm Áp Điện Từ Bột Thạch Anh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ VIÊN GỐM ÁP ĐIỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO RA NÓ
• 1.1. Tổng quan về viên gốm áp điện
• 1.2. Nguyên lý tạo ra viên gốm áp điện
• 1.3. Phương pháp tạo ra viên gốm áp điện
• 1.3.1. Quy trình tạo ra viên gốm áp điện
• 1.3.2. Thông số kỹ thuật
• 1.3.3. Phương pháp kiểm tra viên gốm áp điện sau khi ép
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC CẤU TRÚC MÁY ÉP BỘT THẠCH ANH
• 2.1. Một số cấu trúc máy ép song động hiện nay
• 2.2. Cấu trúc máy ép bột thạch anh bằng thủy lực cầm tay
• 2.3. Đề xuất nguyên lý hoạt động và kết cấu sơ bộ của máy ép
• 2.3.1. Nguyên lý hoạt động sơ bộ
• 2.3.2. Ưu điểm, nhược điểm của máy ép
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÁY ÉP BỘT DÙNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN
• 3.1. Thiết kế sơ đồ động của máy
• 3.1.1. Thông số đầu vào quá trình thiết kế
• 3.1.2. Quy trình hoạt động
• 3.2. Tính toán, thiết kế hệ thống ép viên gốm tự động
• 3.2.1. Tính toán chọn cơ cấu tạo lực ép viên gốm
• 3.2.2. Thiết kế khung máy gá đỡ hệ thống ép viên gốm tự động
• 3.2.3. Cơ cấu xoay mâm quay
• 3.2.4. Hệ thống cân tự động
• 3.2.5. Hệ thống phân phối nguyên liệu tự động
• 3.2.6. Hệ thống tự động sắp xếp sản phẩm vào khay
• 3.2.6.1. Robot Scara 4 bậc tự do
• 3.2.6.2. Giác hút chân không
• 4. CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH SẢN XUẤT VIÊN GỐM ÁP ĐIỆN TỪ BỘT THẠCH ANH
• 4.1. Quy trình sản xuất viên gốm áp điện từ bột thạch anh
• 4.2. Kiểm tra độ tin cậy của hệ thống
• 4.3. Thiết kế khuôn
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Máy Ép Viên Gốm Áp Điện Từ Bột Thạch Anh

Bài viết này trình bày tổng quan về máy ép viên gốm áp điện từ bột thạch anh, một lĩnh vực quan trọng trong sản xuất các linh kiện điện tử và cảm biến. Gốm áp điện, đặc biệt là trên nền PZT, đóng vai trò then chốt trong nhiều ứng dụng, nhưng việc sử dụng chì (Pb) trong thành phần gây ra những lo ngại về môi trường và sức khỏe. Do đó, nghiên cứu và phát triển các vật liệu gốm áp điện thay thế, như sử dụng bột thạch anh, trở nên cấp thiết. Việc tự động hóa quy trình sản xuất cũng là một yếu tố quan trọng để tăng năng suất, giảm thiểu rủi ro cho người lao động. Mục tiêu của bài viết là cung cấp cái nhìn tổng quan về quy trình ép viên gốm áp điện và giới thiệu các công nghệ thiết kế máy ép viên tiên tiến. Theo nghiên cứu của Vũ Thị Hà (2018), "Việc tự động hóa quá trình sản xuất để tăng năng suất lao động, giảm thiểu tối đa sự nguy hiểm là việc rất cần thiết."

1.1. Giới Thiệu Chung Về Gốm Áp Điện và Ứng Dụng

Gốm áp điện là vật liệu có khả năng tạo ra điện áp khi chịu tác động cơ học và ngược lại, thay đổi hình dạng khi có điện trường. Ứng dụng của gốm áp điện rất đa dạng, từ cảm biến, bộ truyền động, đến các thiết bị y tế và năng lượng. Tính chất của gốm áp điện được xác định bởi cấu trúc tinh thể và thành phần hóa học. Sự phát triển của vật liệu áp điện không chì là một hướng đi quan trọng để giảm tác động tiêu cực đến môi trường. Các loại gốm như BaTiO3 hay sử dụng thạch anh đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi.

1.2. Vai Trò Của Bột Thạch Anh Trong Sản Xuất Gốm Áp Điện

Bột thạch anh đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra gốm áp điện, đặc biệt là trong việc cải thiện tính chất cơ học và điện môi. Việc lựa chọn công thức phối trộn bột gốm phù hợp là yếu tố then chốt để đạt được chất lượng sản phẩm mong muốn. Kích thước hạt, độ tinh khiết và phương pháp xử lý bột thạch anh ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ bền của viên gốm. Ngoài ra, việc kiểm soát chất lượng viên gốm sau quá trình ép viên cũng là một bước quan trọng để đảm bảo chất lượng của sản phẩm cuối cùng.

II. Phân Tích Vấn Đề Trong Ép Viên Gốm Áp Điện Từ Bột Thạch Anh

Quá trình ép viên gốm áp điện từ bột thạch anh đối mặt với nhiều thách thức. Việc kiểm soát lực ép trong ép viên gốm là yếu tố then chốt để đảm bảo độ đồng đều và chất lượng của viên gốm. Sự phân bố áp suất không đều có thể dẫn đến các khuyết tật như nứt, vỡ hoặc biến dạng. Thiết kế khuôn ép đóng vai trò quan trọng trong việc phân phối áp suất đều và tạo hình dạng chính xác cho viên gốm. Ngoài ra, việc lựa chọn thiết bị ép viên gốm phù hợp cũng là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy của quy trình sản xuất.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Chất Lượng Viên Gốm Ép

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng viên gốm ép, bao gồm lực ép, tốc độ ép, độ ẩm của bột gốm, và thiết kế khuôn ép. Kích thước viên gốm cũng là một yếu tố quan trọng cần được kiểm soát để đảm bảo tính đồng nhất của sản phẩm. Việc kiểm soát chất lượng viên gốm đòi hỏi sự theo dõi chặt chẽ các thông số quy trình và thực hiện các biện pháp kiểm tra chất lượng phù hợp. Độ bền của viên gốm sau khi ép cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét.

2.2. Thách Thức Trong Việc Đảm Bảo Độ Đồng Đều Của Viên Gốm

Đảm bảo độ đồng đều của viên gốm là một thách thức lớn trong quá trình ép viên. Sự phân bố không đều của bột gốm trong khuôn ép có thể dẫn đến sự khác biệt về mật độ và kích thước giữa các viên gốm. Việc sử dụng hệ thống phân phối nguyên liệu tự động có thể giúp cải thiện độ đồng đều của bột gốm trong khuôn ép. Mô phỏng ép viên gốm cũng là một công cụ hữu ích để dự đoán và khắc phục các vấn đề liên quan đến độ đồng đều.

III. Phương Pháp Thiết Kế Máy Ép Viên Gốm Áp Điện Tối Ưu Nhất

Thiết kế máy ép viên gốm áp điện đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức về cơ khí, điện tử và vật liệu. Việc lựa chọn cơ cấu tạo lực ép phù hợp là yếu tố then chốt để đạt được hiệu suất và độ chính xác mong muốn. Máy ép thủy lực và máy ép cơ là hai loại máy ép phổ biến được sử dụng trong sản xuất viên gốm. Việc thiết kế khung máy và hệ thống điều khiển cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ ổn định và an toàn của máy.

3.1. Lựa Chọn Cơ Cấu Tạo Lực Ép Phù Hợp

Việc lựa chọn cơ cấu tạo lực ép phụ thuộc vào yêu cầu về lực ép, tốc độ ép và độ chính xác. Máy ép thủy lực thường được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi lực ép lớn, trong khi máy ép cơ phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi tốc độ ép cao. Hệ thống điều khiển cần được thiết kế để kiểm soát chính xác lực ép và tốc độ ép, đảm bảo chất lượng của viên gốm. Theo nghiên cứu của Vũ Thị Hà (2018), chương 3, có nhiều sơ đồ động và phương án tối ưu khác nhau.

3.2. Tối Ưu Hóa Thiết Kế Khuôn Ép Viên Gốm

Thiết kế khuôn ép đóng vai trò quan trọng trong việc tạo hình dạng chính xác cho viên gốm và phân phối áp suất đều. Khuôn ép cần được làm từ vật liệu có độ bền cao và khả năng chống mài mòn tốt. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng ép viên gốm có thể giúp tối ưu hóa thiết kế khuôn ép và dự đoán các vấn đề tiềm ẩn. Cần tính đến thiết kế khuôn ép phù hợp với bột thạch anh và kích thước viên gốm mong muốn.

3.3. Điều Khiển Tự Động Hóa Máy Ép Viên Gốm

Tự động hóa máy ép viên gốm giúp tăng năng suất, giảm chi phí lao động và cải thiện độ chính xác. Hệ thống điều khiển cần được thiết kế để kiểm soát các thông số quy trình như lực ép, tốc độ ép, và thời gian ép. Việc tích hợp robot và hệ thống phân phối nguyên liệu tự động có thể giúp tự động hóa toàn bộ quy trình sản xuất viên gốm. Theo nghiên cứu của Vũ Thị Hà (2018) có nhiều sơ đồ khối kiểu tập trung và kiểu phân tán để tham khảo cho việc thiết kế hệ thống tự động hóa.

IV. Quy Trình Sản Xuất Viên Gốm Áp Điện Từ Bột Thạch Anh Chi Tiết

Quy trình sản xuất viên gốm áp điện từ bột thạch anh bao gồm nhiều bước, từ chuẩn bị bột gốm đến nung viên gốm. Mỗi bước trong quy trình đều ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Việc kiểm soát chặt chẽ các thông số quy trình và thực hiện các biện pháp kiểm tra chất lượng phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của viên gốm.

4.1. Các Bước Chuẩn Bị Bột Thạch Anh Cho Quá Trình Ép

Chuẩn bị bột thạch anh bao gồm các bước như nghiền, sàng và trộn. Việc nghiền bột thạch anh giúp giảm kích thước hạt và tăng diện tích bề mặt. Sàng bột thạch anh giúp loại bỏ các hạt có kích thước không phù hợp. Trộn bột thạch anh với các thành phần khác giúp tạo ra bột gốm có thành phần hóa học đồng nhất. Việc lựa chọn công thức phối trộn bột gốm phù hợp là rất quan trọng để đạt được chất lượng sản phẩm mong muốn.

4.2. Quy Trình Ép Viên Gốm Áp Điện Từ Bột Thạch Anh

Quy trình ép viên gốm bao gồm các bước như đổ bột gốm vào khuôn ép, ép bột gốm dưới lực ép nhất định, và lấy viên gốm ra khỏi khuôn ép. Việc kiểm soát lực ép và tốc độ ép là rất quan trọng để đảm bảo độ đồng đều và chất lượng của viên gốm. Thiết kế khuôn ép cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phân phối áp suất đều và tạo hình dạng chính xác cho viên gốm.

4.3. Sấy và Nung Viên Gốm Áp Điện Sau Khi Ép

Sau khi ép, viên gốm áp điện cần được sấy khô để loại bỏ độ ẩm và tăng độ bền cơ học. Viên gốm sau đó được nung ở nhiệt độ cao để tạo ra cấu trúc tinh thể dày đặc và cải thiện tính chất của gốm áp điện. Quá trình nung viên gốm cần được kiểm soát chặt chẽ để tránh các khuyết tật như nứt, vỡ hoặc biến dạng.

V. Ứng Dụng Thực Tế Của Máy Ép Viên Gốm Áp Điện Thiết Kế

Việc thiết kế và chế tạo thành công máy ép viên gốm áp điện mang lại nhiều ứng dụng thực tế. Máy ép viên gốm có thể được sử dụng để sản xuất hàng loạt các linh kiện điện tử và cảm biến với độ chính xác cao và chi phí thấp. Ứng dụng của gốm áp điện trong các lĩnh vực như y tế, năng lượng và công nghiệp ô tô cũng đang ngày càng mở rộng.

5.1. Sản Xuất Linh Kiện Điện Tử và Cảm Biến Chính Xác

Máy ép viên gốm áp điện cho phép sản xuất các linh kiện điện tử và cảm biến với độ chính xác cao. Viên gốm được ép với kích thước và hình dạng chính xác, đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của các linh kiện điện tử và cảm biến. Kiểm soát chất lượng viên gốm trong quá trình sản xuất là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của sản phẩm cuối cùng.

5.2. Ứng Dụng Trong Các Lĩnh Vực Y Tế và Năng Lượng

Gốm áp điện có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực y tế và năng lượng. Gốm áp điện có thể được sử dụng trong các thiết bị siêu âm, cảm biến áp suất máu, và máy phát điện áp điện. Việc phát triển các ứng dụng mới của gốm áp điện trong các lĩnh vực này đang được tiến hành tích cực.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Máy Ép Viên Gốm

Nghiên cứu và phát triển máy ép viên gốm áp điện từ bột thạch anh là một lĩnh vực quan trọng với nhiều tiềm năng. Việc tối ưu hóa thiết kế máy ép viên và quy trình sản xuất viên gốm là rất quan trọng để đạt được hiệu suất cao và chi phí thấp. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu gốm áp điện mới, cải thiện thiết kế khuôn ép, và tự động hóa toàn bộ quy trình sản xuất.

6.1. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Trong Tương Lai

Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu gốm áp điện mới không chứa chì, cải thiện thiết kế khuôn ép để giảm thiểu khuyết tật, và tự động hóa toàn bộ quy trình sản xuất để tăng năng suất và giảm chi phí. Ngoài ra, việc nghiên cứu các ứng dụng mới của gốm áp điện trong các lĩnh vực khác nhau cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn.

6.2. Tóm Tắt Các Kết Quả Chính và Bài Học Rút Ra

Nghiên cứu này đã trình bày tổng quan về máy ép viên gốm áp điện từ bột thạch anh, phân tích các vấn đề liên quan đến ép viên gốm, giới thiệu các phương pháp thiết kế máy ép viên tối ưu, và mô tả quy trình sản xuất viên gốm chi tiết. Các kết quả và bài học rút ra từ nghiên cứu này có thể hữu ích cho các nhà nghiên cứu, kỹ sư và nhà sản xuất trong lĩnh vực gốm áp điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Viên gốm áp điện từ bột thạch anh là vật liệu quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử và điều khiển chính xác, được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị như bộ biến đổi điện âm, cảm biến gia tốc, và đặc biệt trong ngòi nổ đạn pháo. Theo ước tính, vật liệu gốm áp điện chiếm hơn 60% thành phần trong các thiết bị này, tuy nhiên, việc sản xuất hiện nay chủ yếu dựa trên phương pháp thủ công, gây nguy hiểm cho sức khỏe công nhân do tính độc hại và khả năng bay hơi nhanh của chì trong thành phần gốm PZT. Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế và chế tạo kết cấu máy ép bột thạch anh tự động, đồng thời xây dựng quy trình sản xuất viên gốm áp điện nhằm nâng cao năng suất, đảm bảo an toàn lao động và chất lượng sản phẩm.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát các cấu trúc máy ép hiện có, thiết kế máy ép sử dụng động cơ điện servo, và phát triển quy trình công nghệ sản xuất viên gốm áp điện từ bột thạch anh tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong giai đoạn 2016-2018. Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện độ chính xác kích thước viên gốm, tăng hiệu quả kinh tế và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe người lao động. Các chỉ số kỹ thuật viên gốm áp điện đạt được gồm khối lượng riêng ≥ 7,3 g/cm³, độ hút nước ≤ 0,1%, hằng số điện môi 1800, và nhiệt độ Curie 305°C, đảm bảo chất lượng sản phẩm đáp ứng yêu cầu ứng dụng trong công nghiệp quốc phòng và điện tử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: hiệu ứng áp điện (Piezoelectric phenomena) và cơ học vật liệu gốm áp điện. Hiệu ứng áp điện mô tả khả năng chuyển đổi năng lượng giữa cơ học và điện học trong vật liệu gốm như BaTiO3, PbTiO3 và đặc biệt là gốm PZT (PbZrO3 – PbTiO3). Lý thuyết này giải thích nguyên lý phân cực domain trong tinh thể gốm, sự hình thành và duy trì momen lưỡng cực dưới tác động của điện trường DC, cũng như hiện tượng trễ phân cực đặc trưng của vật liệu sắt điện. Mô hình cơ học được áp dụng để phân tích biến dạng, ứng suất và độ bền của kết cấu máy ép dưới các lực ép khác nhau, đảm bảo thiết kế khung máy có độ cứng vững và tuổi thọ cao.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Domain phân cực và phân cực vĩnh cửu trong gốm áp điện
• Nguyên lý hoạt động của máy ép thủy lực và máy ép sử dụng động cơ servo
• Cơ cấu tạo lực ép Screw Jack và bộ truyền bánh răng côn nghiêng
• Quy trình sản xuất viên gốm áp điện: trộn bột, ép, nung, phân cực và kiểm tra chất lượng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, bao gồm số liệu kỹ thuật máy ép thủy lực hiện có, thông số vật liệu bột thạch anh, và kết quả thử nghiệm ép viên gốm. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các bộ phận máy ép được thiết kế và chế tạo thử nghiệm, cùng với các viên gốm áp điện sản xuất theo quy trình đề xuất.

Phương pháp phân tích sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) để đánh giá ứng suất và biến dạng khung máy dưới các lực ép từ 20.000 N đến 75.000 N, đồng thời áp dụng các công thức tính toán cơ cấu truyền động và chọn động cơ servo phù hợp. Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 18 tháng, từ khảo sát tổng quan, thiết kế, chế tạo đến thử nghiệm và hoàn thiện quy trình sản xuất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mối quan hệ lực ép và biến dạng sản phẩm: Qua thử nghiệm ép viên gốm với lực 20.000 N ± 5.000 N, viên gốm đạt kích thước đường kính 11,1 mm và chiều cao khoảng 7 mm, đảm bảo độ đồng đều và không bị ba via hay xước bề mặt. Mối quan hệ này được xác định rõ ràng, giúp điều chỉnh lực ép phù hợp với từng loại bột.

2. Thiết kế máy ép sử dụng động cơ servo: Máy ép được thiết kế với lực ép tối đa 75 kN, độ phân giải lực 5 N, tốc độ ép điều chỉnh từ 2 đến 300 mm/phút. Động cơ servo ACH13230-AC công suất 2,3 kW, momen xoắn 15 Nm, kết hợp với hộp giảm tốc bánh răng côn nghiêng JT25-5:1 đảm bảo vận hành êm ái, chính xác và tiết kiệm năng lượng.

3. Khung máy và cơ cấu truyền động: Mô phỏng ứng suất cho thấy khung máy chịu được lực ép lên đến 75.000 N với biến dạng tổng tăng dần nhưng vẫn trong giới hạn an toàn. Cơ cấu Screw Jack JTB-15 có khả năng tạo lực ép tối đa 150 kN, đảm bảo dự phòng lực lớn hơn nhu cầu thực tế.

4. Tự động hóa quy trình sản xuất: Hệ thống cấp bột tự động, rung làm đều bột, cơ cấu thay khuôn và robot Scara 4 bậc tự do giúp sắp xếp sản phẩm vào khay với thời gian lấy sản phẩm 1-3 giây và sắp xếp 7-9 giây/sản phẩm, nâng cao năng suất và giảm thiểu sai sót do con người.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng động cơ servo và cơ cấu truyền động chính xác giúp cải thiện đáng kể độ ổn định và hiệu quả của máy ép viên gốm so với máy ép thủy lực truyền thống. Mô phỏng ứng suất và biến dạng khung máy cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu thiết kế, giảm thiểu rủi ro hư hỏng trong quá trình vận hành. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, việc tích hợp hệ thống tự động hóa và robot trong quy trình sản xuất viên gốm áp điện là bước tiến quan trọng, góp phần giảm thiểu nguy cơ tiếp xúc với vật liệu độc hại và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lực ép – chiều cao viên gốm, bảng thông số kỹ thuật động cơ và hộp giảm tốc, cũng như hình ảnh mô phỏng ứng suất khung máy dưới các mức lực khác nhau, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai sản xuất máy ép viên gốm tự động: Áp dụng thiết kế máy ép sử dụng động cơ servo với lực ép điều chỉnh linh hoạt nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong vòng 12 tháng, do các đơn vị sản xuất thiết bị cơ điện tử thực hiện.

2. Tăng cường tự động hóa quy trình: Lắp đặt hệ thống cấp bột, rung làm đều, thay khuôn và robot sắp xếp sản phẩm nhằm giảm thiểu sai sót và nguy cơ tiếp xúc với vật liệu độc hại, hoàn thành trong 6 tháng, do phòng kỹ thuật tự động hóa đảm nhiệm.

3. Đào tạo vận hành và bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho công nhân vận hành và bảo trì máy ép nhằm đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả, dự kiến trong 3 tháng, do bộ phận nhân sự và kỹ thuật phối hợp thực hiện.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu phát triển máy ép và quy trình sản xuất viên gốm áp điện từ các loại bột vật liệu khác, nhằm đa dạng hóa sản phẩm và mở rộng thị trường, thực hiện trong 1-2 năm tiếp theo, do các viện nghiên cứu và trường đại học chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Cơ điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế máy ép và quy trình sản xuất viên gốm áp điện, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử và quốc phòng: Tham khảo để ứng dụng công nghệ tự động hóa trong sản xuất viên gốm áp điện, nâng cao chất lượng và an toàn lao động.

3. Kỹ sư thiết kế máy móc và tự động hóa: Cung cấp các phương pháp tính toán, mô phỏng và thiết kế cơ cấu truyền động, giúp tối ưu hóa thiết bị sản xuất.

4. Cơ quan quản lý và phát triển công nghiệp vật liệu: Sử dụng làm tài liệu tham khảo để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình sản xuất an toàn, thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Viên gốm áp điện là gì và ứng dụng ra sao?
   Viên gốm áp điện là vật liệu chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng và ngược lại, được sử dụng trong cảm biến, động cơ piezo, và ngòi nổ đạn pháo. Ví dụ, trong các thiết bị đo gia tốc và điều khiển chính xác.

2. Tại sao cần thiết kế máy ép tự động cho viên gốm áp điện?
   Máy ép tự động giúp tăng năng suất, đảm bảo độ chính xác kích thước viên gốm, giảm nguy cơ tiếp xúc với vật liệu độc hại, và giảm chi phí sản xuất so với phương pháp thủ công.

3. Lực ép tối đa của máy ép được thiết kế là bao nhiêu?
   Máy ép sử dụng động cơ servo có lực ép tối đa 75 kN, với độ phân giải lực 5 N, phù hợp với yêu cầu ép viên gốm từ bột thạch anh.

4. Quy trình sản xuất viên gốm áp điện gồm những bước nào?
   Quy trình gồm trộn bột, cân bột, cấp bột vào khuôn, rung làm đều, ép viên gốm, lấy sản phẩm, nung thiêu kết, phân cực và kiểm tra chất lượng.

5. Làm thế nào để đảm bảo an toàn khi sản xuất viên gốm áp điện?
   Áp dụng tự động hóa trong cấp bột và lấy sản phẩm, sử dụng hệ thống hút bụi và bảo vệ quá tải, đồng thời đào tạo nhân viên vận hành đúng quy trình để giảm thiểu tiếp xúc với vật liệu độc hại.

Kết luận

• Đã thiết kế và chế tạo thành công máy ép viên gốm áp điện sử dụng động cơ servo với lực ép tối đa 75 kN, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và an toàn.
• Xây dựng quy trình sản xuất viên gốm áp điện từ bột thạch anh tự động, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.
• Mô phỏng ứng suất và biến dạng khung máy cho thấy thiết kế đảm bảo độ bền và độ cứng vững trong quá trình vận hành.
• Hệ thống tự động hóa tích hợp robot Scara giúp giảm thiểu sai sót và nguy cơ tiếp xúc với vật liệu độc hại.
• Đề xuất triển khai sản xuất và đào tạo vận hành trong vòng 12 tháng, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong tương lai.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu này để phát triển công nghệ sản xuất viên gốm áp điện hiện đại, góp phần nâng cao hiệu quả và an toàn trong ngành công nghiệp vật liệu và điện tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ VIÊN GỐM ÁP ĐIỆN V CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO RA NÓ. Tổng quan về viên gốm áp điện.1 Áp điện là gì? Hiệu ứng áp điện (tên ting anh là Piezoelectric phenomena) là một hiện tượng vt lý được nhà khoáng vt học người Pháp pháp hiện đu tiên vào năm 1817, sau đ được anh em nhà Pierre và Jacques Curie nghiên cứu chi tit vào năm 1880. Gốm áp điện là những loại vt liệu gốm có tính chất áp điện như BaTiO3, PbTiO3,.1: Các dạng viên gốm áp điện. Hiện tượng xảy ra như sau: người ta tm được một loại chất c tính chất ha học gn giống gốm (Ceramic) và n c hiệu ứng áp điện thun nghch: khi áp vào n một trường điện thì n bin đổi hnh dạng, và ngược lại khi dng lực cơ học tác động vào n th n tạo ra điện tích trên bề mt xác đnh.

N như một máy bin đổi trực tip t năng lượng điện sang năng lượng cơ học và ngược lại. Nu như theo chiều hưng thun, c nghĩa là tác dụng lực lên vt th sẽ sinh ra điện và ngược lại là áp điện nghch: tác động hiệu th vào vt th sẽ xuất hiện lực cơ làm vt bin dạng. Trong tự nhiên c nhiều vt liệu c tính áp điện (đc biệt là thạch anh). Trong đ vt liệu gốm áp điện tốt nhất hiện nay là gốm PZT (P: ch Pb, Z: Zorconi, T: Titan).

Vt liệu gốm áp điện được chia làm 3 hệ chính: - Hệ Titamat Bary. 12 Viện SĐH-ĐHBKHN - Hệ Titanat Ziniconat chì (PZT- PbO-ZrO2-TiO3). Trong 3 hệ này hệ PZT ưu việt hơn cả, là gốm trên cơ sở dung dch rắn trong hệ PbZrO3 – PbTiO3. Tinh th PbZrO3 – PbTiO3 có tính chất áp điện vi ít nhất 3% PbTiO3.

Hệ này có nhiều đc tính tốt: - Miền nhiệt độ sử dụng rộng: ̶ 50oC÷300 oC. - Có hệ số liên kt điện cơ và mô dun áp điện ln. - Các thông số của vt liệu tương đối ổn đnh theo nhiệt độ và thời gian. - Thành phn chủ yu của gốm PZT gồm oxit chì, oxit ziriconi, oxit titian.2 Nguyên lý tạo ra viên gốm áp điện.

Gốm áp điện truyền thống là một loại tinh th gốm bán dẫn, ở dạng ion, hóa tr ion bằng 4, luôn có titanium hoc zirconium. Ở dạng lưi, sử dụng lead hoc barium, và ion O2 như hnh 1. Trong điều kiện này đưa ra hnh đối xứng dạng tứ giác hoc tam giác trên tinh th, mi tinh th có một momen lưng cực (Hình 1.2: Nhiệt độ trên đim Cuire. Đ chuẩn b một viên gốm áp điện, bột gốm được tinh ch t các thành phn oxit kim loại hn hợp được trộn vi tỷ lệ cụ th.

Sau đ được nung nng đ tạo thành bột đồng nhất. Bột áp điện được pha trộn vi chất kt dính hữu cơ và được tạo thành các phn tử các cấu trúc mong muốn (đĩa, tấm, thanh,. Các yu tố được đốt theo một chương trnh thời gian và nhiệt độ cụ th, trong đ bột áp điện nung kt và vt liệu 13 Viện SĐH-ĐHBKHN đạt được kt cấu tinh th dày đc. Các yu tố làm mát, sau đ được tạo hình hoc cắt tỉa theo thông số k thut, và các điện cực được đưa vào bề mt thích hợp.

Các gốm sắt điện đa tinh th như PZT, chứa các vng phân cực đnh hưng ngẫu nhiên bên trong các hạt, gọi là domain. Khi được làm nguội qua các đim Cuire, các domain được hnh thành nhằm giảm năng lượng đàn hồi trong gốm. Ở nhiệt độ ti hạn, đim Curie mi tinh th Perovskite trong phn tử gốm nung có một sự đối xứng khối đơn giản và không c momen lưng cực. Ở nhiệt độ dưi đim Curie mi tinh th c đối xứng bc bốn hoc hình tam giác và tại một thời đim lưng cực (hình 1.

Sự sắp xp cho một thời đim lưng cực là phân cực lưi. Tuy nhiên, hưng phân cực giữa các miền lân cn là ngẫu nhiên, do đ phân tử gốm không có phân cực tổng th (Hình 1.4: Đnh hưng ngẫu nhiên các miền cực trưc khi khử cực. Do các domain phân cực được sắp xp ngẫu nhiên nên tổng phân cực toàn phn bằng không. Các Domain của các phân tử gốm áp điện được sắp xp bằng cách rọi phn tử này vào một điện trường mạnh, dòng một chiều, thường ở nhiệt độ thấp hơn đim Curie (Hình 1.

Qua xử lý phân cực này, các domain được đnh hưng vi điện trường mở rộng, sau đ ta giảm nhiệt độ trong khi vẫn giữ nguyên trường áp đt vào th các domain b “kha” lại ở v trí đ được đnh hưng. Khi ngắt điện trường, những domain b bin dạng ln sẽ quay về lại v trí ban đu (khử cực) nhưng hu ht các domain được khóa trong một cấu trúc được đnh hưng (Hình 1. Các phn tử này phân cực vĩnh cửu ko dài và c th c tính áp điện. 14 Viện SĐH-ĐHBKHN Hình 1.5: Phân cực trong điện trường DC.6: Sự phân cực lại sau khi điện trường được xóa bỏ.

Tương tự vi đc tính của vt liệu sắt t, một vt liệu sắt điện th hiện sự trễ. Sự hnh thành đường trễ là do các domain sắt điện. Giữa các domain là các vách domain. Dưi tác động của t trường ngoài, vách di chuyn domain ln lên hoc b lại.4 th hiện đường cong trễ phân cực được khởi tạo bằng cách áp điện trường vào một phn tử gốm áp điện cho đn khi phân cực cực đại, Ps, đạt được, giảm điện trường đn không đ xác đnh phân cực Pr, đảo ngược điện trường đ đạt phân cực cực đại âm và đảo ngược điện trường đ khôi phục phân cực dương.

Việc tm đường cong trễ cho thấy sự thay đổi trong kích thưc của phn tử gốm dọc theo hưng phân cực, tương ứng vi sự thay đổi điện trường. Khi tăng/giảm kích thưc song song vi hưng của điện trường là đi kèm sự tương ứng, khoảng nhỏ hơn 50% sự tăng hoc giảm kích thưc vuông góc vi điện trường. 15 Viện SĐH-ĐHBKHN a) b) (a) Đường cong trễ phân cực. (b) Sự tăng giảm kích thưc (độ gin, S) trong hưng phân cực.7: Ảnh hưởng của điện trường (E) trong phân cực (P) và sự ko dài tương ứng / sự co lại của một nguyên tố gốm.

Sự nén hoc gin cơ học trên một vt liệu gốm áp điện gây nên bin đổi moment lưng cực, tạo ra điện áp. Nén dọc theo hưng phân cực, tạo lực căng vuông gc vi hưng phân cực, tạo ra điện áp của phân cực giống nhau như điện áp thun (Hnh 1. Sự giãn theo hưng phân cực, hoc nén vuông góc vi hưng phân cực, sinh ra một điện áp ngược lại vi điện áp thun. Những tác động này giúp cho phn tử gốm chuyn đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện .8: Sự tạo thành dòng điện và phát điện của một phn tử gốm.

Ngày nay hiệu ứng áp điện được ứng dụng rất rộng ri trong k thut phục vụ cho cuộc sống hàng ngày như: máy bt lửa, tự động mồi lửa bp ga, cảm bin, linh kiện máy rửa siêu âm, máy sục Ozon, điều khin gc quay nhỏ gương phản xạ tia laze, các 16 Viện SĐH-ĐHBKHN thit b, động cơ c kích thưc nhỏ, hiện nay người ta đang phát trin nhiều chương trnh nghiên cứu như máy bay bay đp cánh như côn trng, cơ nhân tạo, cánh máy bay bin đổi hnh dạng, phòng triệt tiêu âm thanh, các cấu trúc thông minh. Một trong những ứng dụng quan trọng hiện nay trong k thut là dng làm động cơ piezo. Cho đn hiện nay người ta đ tm ra được hai loại vt liệu piezo cơ bản đ là dạng cục (như gốm) ceramic và tấm mỏng như tấm film.4 Phương pháp tạo ra viên gốm áp điện.1 Quy trnh tạo ra viên gốm áp điện. Trộn vt Thiêu kt sơ Tạo hạt và Nghiền liệu thô bộ sấy khô Thiêu kt ở Ghp điện Ép và tạo Mài bề mt nhiệt độ cực hình 1300 ˚C Lắp ráp và tích hợp công Phân cực Kim tra nghệ cn thit Hnh1.9: Sơ đồ khối quy trnh sản xuất viên gốm áp điện.

17 Viện SĐH-ĐHBKHN Vi phạm vi nghiên cứu, đề tài tp trung nghiên cứu đ thit k, ch tạo máy p cho giai đoạn p và tạo hnh trong quy trnh sản xuất.2 Thông số k thut. Sản phẩm viên gốm được ứng dụng trong cụm ngòi nổ. Ch tạo ngòi nổ cho nhiều chủng loại đạn có nguyên lý nổ lõm.1: Thông s k thut viên gm p đin. STT Thông s kĩ thut vt liu chế tạo Kí Đơn vị VAD5 hiu 1 Khối lượng riêng r g/ cm 3 ≥ 7,3 2 Độ hút nưc w % ≤ 0,1 3 Hằng số điện môi (250C) 1800 4 Tang góc mất mát điện môi (f=800Hz) tgd 10-3 ≤ 2,5 5 Hệ số liên kt điện cơ Kp ≥ 0,52 6 Mô đun áp điện d31 10 -12 m/v 150 7 Hằng số áp điện điện áp g31 10-3 m2 /C 10 8 Hằng số tn số Np Hz.m 2000 9 Độ bền nén d 10 6 N/m2 450 10 Hệ số phẩm chất cơ học Qm 50 o 11 Nhiệt độ Curie Tc C 305 1.3 Phương pháp kim tra viên gốm áp điện sau khi p.

Bưc 1: Kim tra sơ bộ. - Sau khi viên gốm được p xong trưc khi xp vào khay cn kim tra bằng mắt xem khi p xong sản phẩm c b ba via, b xưc hay không. Nu b ba via hoc xưc cn loại bỏ. - Kim tra chiều cao viên gốm áp điện sau khi p.

Được thực hiện bằng tay, đọc tr số trên dụng cụ đo độ dày “Dial Thickness gauge” 18 Viện SĐH-ĐHBKHN Hnh 1.10: Dial Thickness gauge. Sau khi p vi lượng bột (4.02) gram vi lực p (20000+5000) N ra kích thưc viên gốm đường kính (11.1) mm chiều cao (7. Bưc 2: Kim tra sau khi thiêu kt và mài. - Đối vi viên gốm đạt tiêu chuẩn sắp vào khay đem đi nung thiêu kt ở nhiệt độ 1300o C, lấy sản phẩm sau khi nung kim tra sản phẩm không b mo, không gin, không nứt, ứng suất lực sau khi nn.

- Đem mài bỏ lượng dư đạt được kích thưc hnh học. Bưc 3: Kim tra lại sau khi phân cực viên gốm. Viên gốm được phân cực bằng cách phủ đều 2 lp kim loại lên viên gốm (trộn chất dễ bay hơi vi kim loại ở một nhiệt độ nhất đnh). Sau khi phân cực xong tin hành làm sạch bề mt viên gốm, kim tra thông số hnh học.

19 Viện SĐH-ĐHBKHN CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC CẤU TRÚC MÁY ÉP BỘT THẠCH ANH 2.1 Một số cấu trúc máy p song động hiện nay. Máy p song động (kiu chữ H), vi khả năng tạo ra một lực ép ln nhờ xilanh thủy lực, máy p được sử dụng rộng ri đ ép, tháo lắp, đnh hình chi tit.