Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong đời sống xã hội và công nghiệp tiêu dùng hiện đại, công nghệ in ấn đóng vai trò thiết yếu trong việc truyền tải thông tin, nhận diện thương hiệu và gia tăng giá trị thẩm mỹ cho sản phẩm bao bì. Kỹ thuật in ấn xuất hiện trên đa dạng các loại vật phẩm như chai lọ thủy tinh, lon nước ngọt, áp phích, thùng carton, bao bì nhựa, đồ sành sứ và kim loại. Trong số các kỹ thuật in, in lụa (in lưới) là phương pháp truyền thống có tính linh hoạt cao, chi phí bản in thấp và thích ứng tốt trên nhiều vật liệu cũng như bề mặt có hình dạng khác nhau.

Tuy nhiên, phương pháp in lụa thủ công truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế về năng suất, phụ thuộc lớn vào sức lao động cơ bắp và tay nghề của thợ in, dẫn đến độ đồng đều và chất lượng sản phẩm không ổn định. Trên thị trường, các thiết bị in lụa công nghiệp nhập khẩu từ nước ngoài tuy đạt độ tự động hóa và độ chính xác cao nhưng giá thành đầu tư đắt đỏ, không phù hợp với năng lực tài chính và quy mô sản xuất của phần lớn cơ sở gia công vừa và nhỏ tại Việt Nam. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in lụa trên ly" được thực hiện nhằm cơ giới hóa quá trình in, tạo ra dòng máy phù hợp với điều kiện sản xuất phân xưởng trong nước.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Tìm hiểu chức năng, nguyên lý, cơ cấu điều khiển và mô hình máy in lụa tập trung vào một vị trí xác định.
  2. Khảo sát, phân tích các kết cấu và nguyên lý của những mẫu máy in lụa tròn hiện có trên thị trường để đề xuất phương án thiết kế phù hợp thực tiễn sản xuất.
  3. Ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor 2015 để thiết kế mô hình hóa 3D, mô phỏng chuyển động và hỗ trợ xuất bản vẽ kỹ thuật.
  4. Tính toán thiết kế các chi tiết máy cơ bản (động cơ điện, bộ truyền đai, trục vít me bi, ổ lăn, then, trục dẫn hướng cố định).
  5. Gia công, chế tạo, lắp ráp mô hình máy hoàn chỉnh và tiến hành chạy thực nghiệm kiểm tra chức năng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ in lụa phân xưởng; máy in lụa trên ly; nguyên lý chuyển động cơ cấu in bề mặt cong tròn xoay; phần mềm thiết kế cơ khí Autodesk Inventor 2015.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế, tính toán và chế tạo mô hình máy in lụa chuyên dùng cho các sản phẩm có biên dạng hình trụ tròn (ly thủy tinh, ly nhựa) quy mô vừa và nhỏ; năng suất thiết kế ban đầu đạt 5 giây/1 sản phẩm; sử dụng kết hợp truyền động cơ điện (động cơ, đai truyền, vít me bi) và hệ thống khí nén (xy lanh, cảm biến).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên nguyên lý in lưới truyền thống kết hợp với các nguyên lý cơ sở trong ngành cơ khí chế tạo máy và tự động hóa khí nén:

  • Nguyên lý in lưới: Quá trình mực in đi xuyên qua các lỗ mở trên lưới (phần không bị bít bởi màng keo cảm quang) dưới tác động của dao gạt mực để bám dính vào bề mặt vật liệu. Quá trình in gồm 3 giai đoạn vật lý: chuẩn bị mực lên khuôn, gạt mực ép tiếp xúc và giai đoạn lưới nhả mực đàn hồi trở lại vị trí ban đầu (khoảng 30% lượng mực còn lưu lại trên lưới sau khi tách).
  • Lý thuyết vật liệu và hóa chất in ấn: Phân loại lưới in theo chỉ số sợi ($N$ hoặc $T$, mật độ lỗ $/ \text{cm}^2$), cấu trúc sợi (monofilament, multifilament, metallized polyester); phân loại mực in theo gốc (mực gốc nước, mực gốc dầu, mực Plastisol, mực UV, mực chuyển nhiệt Sublimation); công nghệ chế bản bằng keo cảm quang (Crom-Gelatin, Crom-PVA) và phương pháp tẩy rửa bản in (sử dụng bột tẩy chuyên dụng, thuốc tím $\text{KMnO}_4$, dung dịch $\text{H}_2\text{O}_2$, dung môi gốc benzen).
  • Lý thuyết tính toán thiết kế chi tiết máy: Các công thức động học và động lực học truyền động cơ khí (truyền động đai dẹt/thang, truyền động vít me bi - đai ốc bi, tính chọn then theo ứng suất dập và cắt, tính chọn ổ lăn theo tải trọng động và tĩnh, kiểm nghiệm độ bền uốn của trục dẫn hướng).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai đồng bộ:

  • Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Thu thập, phân tích tài liệu chuyên ngành cơ khí chế tạo máy, tài liệu kỹ thuật in lưới và khảo sát thông số các mẫu máy in lụa trên thị trường.
  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: So sánh ưu nhược điểm của các phương án dẫn động (thủ công, hoàn toàn bằng xy lanh khí nén, kết hợp động cơ vít me bi và khí nén) để lựa chọn phương án tối ưu.
  • Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng số: Thiết kế không gian 3D, kiểm tra va chạm động học và phân tích ứng suất, chuyển vị kết cấu bằng công cụ tính toán tích hợp trong Autodesk Inventor 2015.
  • Phương pháp thực nghiệm và kiểm nghiệm: Gia công chế tạo chi tiết, lắp ráp hệ thống thực tế và vận hành thử nghiệm trên phôi ly với các dải tốc độ khác nhau để đánh giá độ chính xác in và khả năng vận hành đồng bộ giữa cơ cấu chấp hành khí nén và cụm dẫn tải vít me.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy in lụa trên ly được phát triển dựa trên sự phối hợp giữa cơ cấu dẫn động cơ điện và hệ thống khí nén điều khiển tự động:

Cấu trúc và thông số kỹ thuật chính của hệ thống thiết kế bao gồm:

  • Cơ cấu dẫn động chính: Sử dụng 01 động cơ điện kết hợp bộ truyền đai để giảm tốc và truyền mô men xoắn sang trục vít me bi. Đai ốc vít me bi liên kết với cụm gá khuôn in/bàn trượt, biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến qua lại dọc theo 2 trục dẫn hướng cố định với độ ma sát thấp và độ êm dịu cao.
  • Cơ cấu chấp hành khí nén: Các xy lanh khí nén thực hiện thao tác ép dao gạt mực xuống bề mặt lưới và cơ cấu định vị, ép xoay phôi ly trong suốt hành trình quét mực.
  • Hệ thống điều khiển và cảm biến: Sử dụng các cảm biến vị trí và công tắc hành trình để nhận diện điểm đầu, điểm cuối của chu trình di chuyển bàn trượt, từ đó đóng ngắt van khí nén điều khiển xy lanh dao gạt và đổi chiều quay động cơ theo đúng chu kỳ 5 giây/sản phẩm.
  • Quy trình gia công chế tạo: Sử dụng các phương pháp gia công cắt gọt kim loại truyền thống (tiện trục vít me, phay thân bệ gá, khoan định vị) kết hợp lắp ráp cơ khí chính xác theo tập bản vẽ chi tiết và bản vẽ lắp tổng thể.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương này phân tích tính cấp thiết của việc cơ giới hóa ngành in lụa tại Việt Nam, nêu rõ ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài trong bối cảnh nước ta gia nhập WTO. Tác giả tiến hành khảo sát, tổng hợp thông số kỹ thuật của 4 nhóm máy in lụa có mặt trên thị trường nhằm định hình phương án thiết kế:

Dòng máy khảo sát Đường kính in tối đa Chiều cao in tối đa Năng suất in Công suất / Khí nén Khối lượng
Máy in lụa dạng lăn (SS 1000T) $\varnothing 300\text{ mm}$ Tuỳ chỉnh theo hành trình Tuỳ chỉnh Điện áp $220\text{V}$, chỉnh lực khí Không công bố
Máy in lụa tròn khổ lớn $300\text{ mm}$ $400\text{ mm}$ $400 - 500\text{ lần/giờ}$ $0{,}6\text{ kW}$ / $260\text{ lít/phút}$ $300\text{ kg}$
Máy in lụa tròn tự động $100\text{ mm}$ $300\text{ mm}$ $600 - 700\text{ lần/giờ}$ $0{,}5\text{ kW}$ / $120\text{ lít/phút}$ $250\text{ kg}$
Máy in lụa đa năng NSP-35-V (SKP-500V) Mặt cong & phẳng Khổ in $300 \times 200\text{ mm}$ $1200\text{ lần/giờ}$ AC $220\text{V}$, hút chân không $104\text{ kg}$
Máy in lụa đa năng NSP-35-R (SKP-500R) Mặt cong Khổ in $400 \times 300\text{ mm}$ $1200\text{ lần/giờ}$ AC $220\text{V}$ $234\text{ kg}$

Chương 2: Cơ sở lý thuyết để thực hiện đề tài

Nội dung chương hệ thống hóa lịch sử in lụa thế giới (khởi nguồn từ Trung Quốc thời nhà Thanh, lan sang châu Âu năm 1885, công nghiệp hóa sau năm 1945) và tại Việt Nam (ông Phạm Đạt Tiết truyền bá từ đầu thập niên 1950). Chương tài liệu hóa chi tiết:

  • Dụng cụ và 3 bước cơ bản của in lưới; cấu tạo bàn in, dao gạt (vật liệu cao su, bọt biển) và lưới in (thông số $N$, $T$, monofilament, multifilament, lụa trắng và vàng).
  • Các phương pháp làm khuôn in: vẽ trên nến trắng, đất sét, dầu bóng, giấy nến và phương pháp cảm quang hiện đại.
  • Quy trình làm sạch lưới bằng hóa chất ($\text{K}_2\text{CO}_3$, $\text{NaOH}$, $\text{HCl}$, $\text{KMnO}_4$, axit oxalic, $\text{H}_2\text{O}_2$, dung môi 783, Fujisol, hóa chất tẩy bóng ma Gosh remover, ISP 88).
  • Các kiểu in lụa chuyên dụng: in chuyển nhiệt, in nổi (hấp hơi nước $130 - 150^\circ\text{C}$), in bắn cắm lông (chiều dài sợi $0{,}3\text{ mm}$, điện trường $6000\text{V}$).
  • Bảng phân tích 13 dạng hư hỏng thường gặp trong in lụa (bít tắc lưới, mực nhạt/đậm, lem mực, nét hoa văn răng cưa do bể bản, điệp màu, mực bị nhũ hóa do nước $\text{pH} < 5$...) và các biện pháp hiệu chỉnh kỹ thuật.
  • Giới thiệu khả năng dựng hình 3D, xuất bản vẽ và kiểm soát thuộc tính hình học của phần mềm Autodesk Inventor 2015.

Chương 3: Mực in và một số kỹ thuật trong in lụa

Chương này phân tích đặc tính hóa lý, phạm vi ứng dụng, ưu nhược điểm của 5 nhóm mực in chính:

  • Mực gốc nước: Dễ tan trong nước ở $50 - 60^\circ\text{C}$, khô tự nhiên, dùng cho vật liệu xenluloza (gỗ, giấy, sợi bông); phân nhánh thành dòng Bóng Dẻo và Hàng Nước; các thương hiệu phổ biến gồm Matsui, ColorLab, Silkflex, Shinakamura, Furukawa, CSC.
  • Mực gốc dầu: Độ bám cao, màu sắc sắc nét, bám tốt trên ly thủy tinh, nhựa, kim loại, da nhưng có mùi nồng và độc hại.
  • Mực Plastisol: Gốc dầu nhẹ cho vải, đòi hỏi xử lý nhiệt sấy định hình tối thiểu từ $160^\circ\text{C}$ trở lên trong ít nhất 10 giây.
  • Mực UV: Đóng rắn hoàn toàn dưới bức xạ tia tử ngoại (UV), tạo hiệu ứng bóng, mờ, cát cục bộ.
  • Mực Sublimation: Hoạt động theo nguyên lý thăng hoa nhiệt độ cao để chuyển tử pha hơi sang bám chặt vào phôi.

Chương cũng cung cấp tỷ lệ pha chế mực in trên da gồm: Pigment ($100$ phần), dung dịch Cazein 10% ($50$ phần), dung dịch Albumin/senlac ($50$ phần), nhũ tương Acrylic ($600$ phần), nước ($300$ phần), sấy ở $70 - 80^\circ\text{C}$ trong $15 - 20$ phút; kỹ thuật sấy trung gian (duy trì độ ẩm $40 - 50%$, sấy từ dưới lên hoặc xe sấy từ trên xuống); và so sánh chi tiết công nghệ in lụa với in chuyển nhiệt trên áo thun.

Chương 4: Các phương án thiết kế và nguyên lý máy in lụa

Tác giả đề xuất và phân tích 3 phương án thiết kế kết cấu:

  1. Phương án 1 (In lụa thủ công): Thao tác hoàn toàn bằng tay, kết cấu đơn giản nhưng năng suất thấp, chất lượng không ổn định.
  2. Phương án 2 (Sử dụng hoàn toàn xy lanh khí nén): Cơ cấu chuyển động tịnh tiến gá khuôn và dao gạt đều dùng xy lanh; ưu điểm thao tác nhanh nhưng hành trình dài dễ gây rung lắc, khó kiểm soát vận tốc gạt mực ổn định.
  3. Phương án 3 (Sử dụng bộ truyền vít me đai ốc kết hợp xy lanh): Động cơ điện truyền động qua trục vít me bi dẫn tải tịnh tiến êm dịu, xy lanh khí nén đảm nhiệm việc định vị phôi và ép dao gạt. Đây là phương án tối ưu được lựa chọn chế tạo.

Chương mô tả chi tiết nguyên lý chu trình in: Phôi ly được gá lên trục xoay, xy lanh ép hạ dao gạt, động cơ truyền động vít me bi kéo khung lụa chuyển động tịnh tiến đồng thời làm phôi ly lăn tròn tiếp xúc đồng tốc với mặt lưới, mực được quét đều lên thân ly. Cuối hành trình, công tắc hành trình ngắt điện, xy lanh nâng dao gạt và động cơ đảo chiều hồi vị.

Chương 5: Tính toán thiết kế máy in lụa

Trình bày các bước tính toán thiết kế chi tiết máy:

  • Tính chọn công suất và số vòng quay của động cơ điện dẫn động chính.
  • Tính toán thông số hình học và kiểm nghiệm độ bền bộ truyền đai.
  • Tính toán thông số động học, tải trọng dọc trục và chọn bộ truyền vít me bi - đai ốc bi.
  • Tính toán then bằng truyền mô men trên trục vít me bi theo điều kiện bền dập và bền cắt.
  • Tính toán và chọn ổ lăn đỡ chặn cho cụm trục vít me.
  • Kiểm nghiệm độ bền uốn, độ võng của 2 trục dẫn hướng cố định.
  • Sử dụng mô đun phân tích ứng suất và biến dạng (Stress Analysis) trong Autodesk Inventor 2015 để mô phỏng tải trọng, kiểm tra chuyển vị kết cấu máy trước khi chế tạo.
  • Quy trình công nghệ gia công chi tiết cơ khí và quy trình lắp ráp hoàn thiện máy.

Chương 6: Kết luận và đề nghị

Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ đề tài, chỉ ra các kết quả đạt được về mặt mô hình thực tế, năng suất vận hành và đưa ra các kiến nghị cải tiến kết cấu cho các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế và thi công chế tạo với các kết quả cụ thể:

  • Sản phẩm chế tạo thực tế: Chế tạo thành công 01 mô hình máy in lụa trên ly hoạt động bằng sự kết hợp giữa truyền động động cơ điện qua bộ truyền đai, trục vít me bi và hệ thống chấp hành xy lanh khí nén điều khiển qua cảm biến/công tắc hành trình.
  • Thông số vận hành: Máy đáp ứng yêu cầu in trên các sản phẩm có biên dạng trụ tròn (ly thủy tinh, ly nhựa), chuyển động tịnh tiến của bộ phận dẫn tải trên 2 trục cố định diễn ra êm, phân bố lực ép mực đồng đều, đáp ứng chu kỳ thời gian thiết kế 5 giây/sản phẩm.
  • Hồ sơ kỹ thuật: Xây dựng hoàn chỉnh mô hình 3D trên Autodesk Inventor 2015, tập bản vẽ gia công chi tiết, tập bản vẽ lắp từng cụm và bản vẽ lắp tổng thể của toàn bộ máy.
  • Đóng góp kỹ thuật: Đề xuất một giải pháp thiết kế máy in lụa mặt cong nội địa hóa có kết cấu nhỏ gọn, chi phí chế tạo thấp hơn nhiều so với máy nhập khẩu từ Trung Quốc hoặc châu Âu, tạo tiền đề ứng dụng hiệu quả cho các cơ sở sản xuất và xưởng gia công bao bì quy mô vừa và nhỏ tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên quá trình chế tạo mô hình và phạm vi nghiên cứu của đề tài, các hạn chế và hướng mở phát triển được xác định:

  • Hạn chế: Mô hình máy tập trung in trên biên dạng trụ tròn đơn giản, chưa tích hợp cơ cấu in tự động cho các loại ly hoặc chai lọ có độ côn lớn, biên dạng ô van phức tạp; quá trình cấp phôi và lấy sản phẩm ra sau khi in vẫn thực hiện thủ công; chưa tích hợp cụm sấy khô mực tự động trên máy.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Nghiên cứu cải tiến cơ cấu gá đặt và dao gạt để mở rộng khả năng in trên các bề mặt côn, hình elip và mặt phẳng đa năng.
    2. Tích hợp hệ thống cấp phôi và thu hồi sản phẩm tự động (sử dụng mâm xoay cấp phôi hoặc cánh tay gắp khí nén).
    3. Tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC hoặc vi điều khiển chuyên dụng để tinh chỉnh linh hoạt tốc độ in, lực ép khí nén và hành trình in qua màn hình giao diện điều khiển.
    4. Nghiên cứu bổ sung đầu sấy UV hoặc đèn sấy hồng ngoại đồng bộ trực tiếp trên dây chuyền để làm khô sản phẩm ngay sau khi in.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo ứng dụng thực tế cao:

  • Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên, giảng viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử, Kỹ thuật Công nghiệp; các kỹ sư cơ khí và kỹ thuật viên tại các xưởng in lụa, xưởng chế tạo máy đóng gói bao bì.
  • Nội dung tham khảo hữu ích:
    • Cẩm nang tra cứu toàn diện về kỹ thuật in lụa, bao gồm phương pháp chế bản cảm quang, quy trình pha mực in (mực nước, mực dầu, Plastisol, UV, mực in trên da), kỹ thuật căng - làm sạch lưới và phương pháp xử lý 13 sự cố lỗi in thường gặp.
    • Phương pháp tính toán, thiết kế động học và động lực học cụm dẫn động vít me bi kết hợp bộ truyền đai và xy lanh khí nén cho máy gia công chuyên dùng.
    • Quy trình ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor 2015 trong việc thiết kế 3D, mô phỏng kết cấu và kiểm nghiệm ứng suất cơ khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu dẫn động bàn trượt mang khuôn in trong máy sử dụng nguyên lý nào?
Máy sử dụng động cơ điện truyền mô men quay qua bộ truyền đai đến trục vít me bi. Đai ốc vít me bi liên kết với cụm gá bàn trượt để chuyển hóa chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến qua lại dọc theo hai trục dẫn hướng cố định, giúp hành trình in diễn ra êm và chính xác.

2. Đề tài lựa chọn phương án thiết kế nào giữa các phương án được khảo sát?
Tác giả đã so sánh 3 phương án (in thủ công, in hoàn toàn bằng xy lanh khí nén, và in kết hợp vít me đai ốc với xy lanh) và lựa chọn Phương án 3 (kết hợp bộ truyền vít me đai ốc bi và xy lanh khí nén). Phương án này khắc phục được hiện tượng rung giật của xy lanh hành trình dài, đảm bảo vận tốc gạt mực ổn định và điều khiển hành trình chính xác.

3. Vì sao mực in Plastisol cần phải xử lý nhiệt sau khi in?
Mực Plastisol là dạng mực gốc dầu nhẹ in trên vải. Mực có đặc điểm bắt buộc phải qua xử lý nhiệt ở nhiệt độ từ $160^\circ\text{C}$ trở lên trong thời gian tối thiểu 10 giây để mực đóng rắn và bám dính chắc vào sợi vải; nếu không sấy nhiệt, màng mực sẽ bị bở và bong tróc.

4. Khắc phục hiện tượng đường nét hoa văn in lụa bị răng cưa (bể bản) như thế nào?
Nguyên nhân do thời gian chụp bản chưa đủ khiến keo chưa chín, hoặc do sau khi chụp đã cọ rửa bản quá kỹ/xối nước quá mạnh, hoặc do phim vẽ chưa chuẩn. Biện pháp khắc phục là căn chỉnh lại thời gian chụp bản cho đủ độ chín, rửa bản nhẹ nhàng sau khi rọi đèn và kiểm tra sửa lại bản vẽ/phim chụp sắc nét với đường nét đen đậm.

5. Năng suất thiết kế và đối tượng in mục tiêu của máy là gì?
Năng suất thiết kế ban đầu của máy là 5 giây cho 1 sản phẩm. Đối tượng in mục tiêu là các loại ly bằng chất liệu thủy tinh hoặc nhựa có biên dạng hình trụ tròn.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in lụa trên ly" của nhóm tác giả Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ giới hóa quy trình in lụa trên bề mặt trụ tròn. Bằng việc kết hợp hệ thống truyền động vít me bi cơ điện và cơ cấu định vị ép dao gạt khí nén, mô hình máy chế tạo đạt năng suất 5 giây/sản phẩm, vận hành ổn định và đảm bảo độ nét in đồng đều. Công trình cung cấp tài liệu thiết kế cơ khí hoàn chỉnh cùng cẩm nang công nghệ in lưới phong phú, đóng góp giải pháp thiết thực cho nhu cầu nâng cao năng suất tại các cơ sở sản xuất bao bì vừa và nhỏ trong nước.