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.