Tiểu luận về thiết kế và chế tạo khuôn ép nhựa hình trái cây giọt nước chữ thư pháp

Khám phá tiểu luận về thiết kế và chế tạo khuôn ép nhựa hình trái cây giọt nước chữ thư pháp, ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo.

• Tác giả: Đỗ Đức Huy
• Người hướng dẫn: ThS. Dương Thị Vân Anh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Khuôn Ép Nhựa Tạo Hình Trái Cây Giọt Nước Chữ Thư Pháp
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: Lý do chọn đề tài
• 1.1. Tính thực tiễn của đề tài
• 1.2. Mục tiêu và giới hạn của đề tài
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa của đề tài
• 1.5. Nội dung của đồ án tốt nghiệp
• 2. CHƯƠNG 2: Nghệ thuật tạo hình trái cây
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về khuôn ép nhựa

Khuôn ép nhựa là một thiết bị quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo, đặc biệt là trong sản xuất các sản phẩm nhựa. Khuôn ép nhựa được sử dụng để tạo hình các sản phẩm từ nhựa thông qua quá trình ép nóng chảy. Việc thiết kế khuôn không chỉ yêu cầu tính chính xác cao mà còn phải đảm bảo tính bền vững và khả năng sản xuất hàng loạt. Trong đồ án này, nhóm nghiên cứu đã chọn thiết kế khuôn ép nhựa với hình dáng trái cây giọt nước và chữ thư pháp, nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường và tạo ra sản phẩm độc đáo. Sản phẩm này không chỉ mang tính thẩm mỹ mà còn có giá trị kinh tế cao, đặc biệt trong các dịp lễ tết.

1.1. Tính năng và ứng dụng của khuôn ép nhựa

Khuôn ép nhựa có nhiều tính năng nổi bật, bao gồm khả năng tạo hình đa dạng và độ chính xác cao. Ép nhựa cho phép sản xuất hàng loạt các sản phẩm với chi phí thấp và thời gian ngắn. Các sản phẩm từ khuôn ép nhựa thường được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như đồ gia dụng, linh kiện điện tử và đặc biệt là trong ngành nông nghiệp với các sản phẩm trái cây tạo hình. Việc áp dụng công nghệ ép nhựa trong sản xuất trái cây không chỉ giúp tăng giá trị sản phẩm mà còn tạo ra sự khác biệt trên thị trường.

II. Thiết kế khuôn và mô phỏng dòng chảy nhựa

Thiết kế khuôn là một quá trình phức tạp, bao gồm nhiều bước từ việc xác định hình dáng sản phẩm đến việc tính toán bền cho các tấm khuôn. Trong đồ án này, nhóm đã sử dụng phần mềm PTC Creo Parametric để thiết kế hình dáng 3D của sản phẩm. Thiết kế khuôn không chỉ cần tính toán kỹ lưỡng mà còn phải đảm bảo tính khả thi trong sản xuất. Mô phỏng dòng chảy nhựa là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế, giúp dự đoán được cách mà nhựa sẽ chảy vào khuôn và hình thành sản phẩm. Phần mềm Moldex 3D đã được sử dụng để phân tích dòng chảy nhựa, từ đó tối ưu hóa thiết kế khuôn.

2.1. Phân tích dòng chảy nhựa

Phân tích dòng chảy nhựa là một phần không thể thiếu trong thiết kế khuôn. Việc sử dụng phần mềm Moldex 3D giúp nhóm có cái nhìn rõ ràng về cách mà nhựa sẽ chảy vào khuôn, từ đó điều chỉnh thiết kế cho phù hợp. Dòng chảy nhựa cần được tối ưu hóa để tránh hiện tượng rỗ khí và đảm bảo sản phẩm đạt chất lượng cao. Kết quả phân tích cho thấy các vị trí có khả năng xuất hiện rỗ khí và đường hàn, từ đó đưa ra các giải pháp khắc phục hiệu quả.

III. Gia công và lắp ráp khuôn

Sau khi hoàn tất thiết kế, bước tiếp theo là gia công các tấm khuôn. Gia công khuôn là một quá trình quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm cuối cùng. Nhóm đã sử dụng máy CNC để gia công các tấm khuôn với độ chính xác cao. Việc lắp ráp khuôn cũng cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo các tấm khuôn khớp với nhau và hoạt động hiệu quả. Gia công khuôn không chỉ yêu cầu kỹ thuật cao mà còn cần sự tỉ mỉ trong từng chi tiết.

3.1. Quy trình gia công khuôn

Quy trình gia công khuôn bao gồm nhiều bước, từ việc chuẩn bị nguyên liệu đến việc gia công từng tấm khuôn. Nhóm đã thực hiện các bước gia công theo quy trình chuẩn, đảm bảo chất lượng và độ chính xác. Các tấm khuôn được gia công bằng máy CNC, giúp tạo ra các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao. Sau khi gia công, các tấm khuôn được lắp ráp và kiểm tra kỹ lưỡng trước khi tiến hành ép thử sản phẩm.

IV. Ép thử sản phẩm và đánh giá

Sau khi hoàn tất quá trình gia công và lắp ráp, bước cuối cùng là ép thử sản phẩm. Ép thử là một bước quan trọng để kiểm tra tính khả thi của khuôn và chất lượng sản phẩm. Nhóm đã tiến hành ép thử trên trái dưa lưới, sản phẩm được tạo hình từ khuôn. Kết quả ép thử cho thấy sản phẩm đạt yêu cầu về hình dáng và chất lượng. Việc đánh giá sản phẩm sau khi ép cũng giúp nhóm rút ra những kinh nghiệm quý báu cho các dự án sau này.

4.1. Kết quả và đánh giá sản phẩm

Kết quả ép thử cho thấy sản phẩm tạo hình từ khuôn đạt yêu cầu về thẩm mỹ và chất lượng. Các hình dáng trái cây giọt nước và chữ thư pháp được thể hiện rõ nét, thu hút sự chú ý của người tiêu dùng. Việc đánh giá sản phẩm không chỉ dừng lại ở việc kiểm tra hình dáng mà còn cần xem xét các yếu tố khác như độ bền và khả năng ứng dụng trong thực tế. Nhóm đã ghi nhận những điểm mạnh và điểm cần cải thiện để hoàn thiện hơn trong các dự án tiếp theo.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Ngành nông nghiệp công nghệ cao kết hợp công nghiệp gia công khuôn mẫu đang mở ra tiềm năng thương mại hóa vượt bậc cho các sản phẩm nông sản giá trị gia tăng. Xu hướng tạo hình trái cây nghệ thuật phục vụ thị trường quà biếu, lễ Tết tại Việt Nam và các quốc gia Đông Á ghi nhận mức tăng trưởng doanh thu từ 300% đến 800% so với nông sản tiêu chuẩn. Tuy nhiên, rào cản kỹ thuật lớn nhất hiện nay nằm ở việc thiếu hụt các bộ khuôn ép nhựa định hình chuyên dụng có độ bền cao, chi phí chế tạo thấp, khả năng thoát hơi ẩm tối ưu và tích hợp họa tiết văn hóa đặc thù như chữ thư pháp.

Vấn đề kỹ thuật cốt lõi (Problem Statement) xuất phát từ các hạn chế nghiêm trọng của phương pháp tạo hình truyền thống:

• Áp lực giãn nở sinh học: Trong giai đoạn tăng trưởng mạnh (20–45 ngày sau thụ phấn), quả dưa lưới tạo áp lực trương nở hướng tâm rất lớn, dễ làm nứt vỡ các kết cấu khuôn tự chế bằng tấm mica hoặc gỗ ghép.
• Tích tụ nhiệt ẩm và thối sinh học: Thiết kế khuôn thiếu hệ thống vi thoát khí và rãnh thoát nước ngưng tụ khiến hơi nước đọng cục bộ, dẫn đến thối vỏ dưa và hư hỏng mắt lưới (vân lưới).
• Độ chính xác và tính thẩm mỹ bề mặt: Họa tiết chữ nổi thư pháp đòi hỏi độ sâu hoa văn đồng nhất ($2.5\text{ mm}$), góc thoát khuôn chuẩn xác và độ bóng bề mặt cao để không làm tổn thương biểu bì quả khi tách khuôn.

Đồ án "Thiết kế và chế tạo khuôn ép nhựa tạo hình trái cây giọt nước chữ thư pháp" giải quyết triệt để các bài toán trên thông qua chu trình kỹ thuật khép kín từ CAD/CAE/CAM đến thử nghiệm thực địa.

Mục tiêu cụ thể của dự án:

1. Thiết kế hình học 3D sản phẩm vỏ khuôn tạo hình dáng giọt nước, tích hợp chữ thư pháp "Thọ" và hệ thống vành ghép 11 lỗ bu-lông gia cố.
2. Ứng dụng kỹ thuật mô phỏng số CAE (Moldex3D) để phân tích dòng chảy nhựa, tối ưu hóa hệ thống cổng phun, đường nước làm nguội, dự báo rỗ khí (Air Trap) và đường hàn (Weld Line).
3. Tính toán độ bền tĩnh và chuyển vị kết cấu khuôn dưới tác động của áp suất phun nhựa và áp lực trương nở trái cây bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).
4. Lập quy trình công nghệ gia công cơ khí chính xác các tấm khuôn (Cavity, Core, giàn đẩy) trên trung tâm gia công CNC.
5. Vận hành ép thử nghiệm sản phẩm trên máy ép phun công nghiệp và kiểm chứng khả năng tạo hình thực tế trên cây dưa lưới tại nhà màng công nghệ cao.

Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở bộ khuôn 2 tấm, 1 lòng khuôn (Single-cavity mold), sử dụng hệ thống kênh dẫn nguội (Cold Runner) và miệng phun trực tiếp (Direct Sprue Gate), ép hạt nhựa Polypropylene (PP) nguyên sinh, định hình cho giống dưa lưới tròn đạt khối lượng thương phẩm $1.4 - 2.0\text{ kg}$ (trọng lượng trung bình $1.5\text{ kg}$).

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Thị trường tạo hình trái cây hiện tồn tại ba nhóm giải pháp chính với các ưu nhược điểm kỹ thuật rõ rệt:

Giải pháp	Cơ tính & Chịu lực	Độ chính xác hoa văn	Thoát ẩm & Thoát khí	Chi phí sản xuất / đơn vị	Khả năng tái sử dụng
Khuôn thủ công Mica/Gỗ	Kém (Dễ gãy nứt khi dưa lớn)	Thô sơ, không sắc nét	Rất kém, gây ứ đọng nước	Thấp ($30.000 - 50.000$ VNĐ)	$1 - 2$ vụ
Khuôn thổi PC nhập khẩu	Tốt, chịu va đập	Trung bình, họa tiết đơn giản	Hạn chế, ít lỗ thoát	Rất cao ($150.000 - 250.000$ VNĐ)	$4 - 6$ vụ
Khuôn ép phun PP (Đề tài)	Tối ưu, độ dai kéo cao	Rất cao (Độ nổi $2.5\text{ mm}$)	Tối ưu (2 lỗ thoát + lỗ cuống)	Tối ưu hóa ($35.000 - 45.000$ VNĐ)	$> 10$ vụ

Yêu cầu kỹ thuật theo thang đo MoSCoW:

• Must have: Vỏ khuôn chịu được áp lực sinh học từ quả dưa $1.5\text{ kg}$; bề dày vỏ đồng nhất $3.0\text{ mm}$; có lỗ cuống quả và rãnh thoát nước đáy; hệ thống ghép vành 11 bu-lông phân bố đều.
• Should have: Họa tiết chữ "Thọ" thư pháp nổi $2.5\text{ mm}$ bo góc lượn $R0.5 - R1.0\text{ mm}$ chống rách vỏ quả; độ trong suốt quang học đạt trên 80% để kiểm tra độ chín.
• Could have: Tai gá treo dây phụ trợ chịu tải trọng quả trên thân cây.
• Won't have: Hệ thống khóa chốt thủy lực tự động (giữ cơ cấu siết bu-lông đai ốc M6 để tiết kiệm chi phí).

Thiết kế hệ thống

Bộ khuôn được thiết kế theo cấu trúc khuôn 2 tấm tiêu chuẩn công nghiệp với các thông số vật lý và hình học xác định:

+--------------------------------------------------------------+
|                    TẤM KẸP TRƯỚC (Top Clamping Plate)        |
+--------------------------------------------------------------+
|                    TẤM KHUÔN ÂM (Cavity Plate - Cố định)    |
+==============================================================+  <-- Mặt phân khuôn (Parting Line)
|                    TẤM KHUÔN DƯƠNG (Core Plate - Di động)    |
+--------------------------------------------------------------+
|                    TẤM ĐỠ (Support Plate)                    |
+--------------------------------------------------------------+
+--------------------------------------------------------------+
|                    TẤM KẸP SAU (Bottom Clamping Plate)       |
+--------------------------------------------------------------+

• Vật liệu chế tạo chi tiết ép: Nhựa Polypropylene (PP) nguyên sinh có khối lượng riêng $\rho = 0.915\text{ g/cm}^3$, nhiệt dung riêng $c = 0.84 - 2.5\text{ kJ/kg}\cdot\text{K}$, nhiệt độ nóng chảy gia công $T_m = 250 - 270^\circ\text{C}$, hệ số co rút thể tích $S = 1.0% - 2.5%$ ($0.01 - 0.025$).
• Thông số hình học sản phẩm: Thể tích phần tử $V = 139.397\text{ mm}^3$, khối lượng $m = 125.7\text{ g}$, bề rộng vành ghép $15.0\text{ mm}$, bề dày thành sản phẩm $t = 3.0\text{ mm}$.
• Hệ thống dẫn hướng và định vị: 4 chốt dẫn hướng ($\varnothing 20\text{ mm}$) tôi cứng bề mặt kết hợp bạc dẫn hướng, vòng định vị đường kính $\varnothing 100\text{ mm}$ ăn khớp với lỗ định vị trên bàn tĩnh máy ép.
• Hệ thống đẩy sản phẩm: Giàn đẩy cơ khí gồm cụm tấm đẩy - tấm giữ liên kết 8 chốt đẩy ($\varnothing 6\text{ mm}$) bố trí đối xứng dọc vành flange và các vị trí gân chịu lực, kết hợp 4 chốt hồi lò xo đảm bảo giàn đẩy hồi vị chuẩn xác trước khi đóng khuôn.

Methodology

Quy trình phát triển tuân thủ phương pháp luận Kỹ thuật Đồng thời (Concurrent Engineering) tích hợp mô hình thác nước có phản hồi kiểm định:

• Giai đoạn 1 (Tuần 1–4): Khảo sát thực địa, đo đạc kích thước quả dưa thương phẩm, mô hình hóa 3D hình dáng giọt nước và chữ "Thọ" trên PTC Creo Parametric.
• Giai đoạn 2 (Tuần 5–8): Tách mặt phân khuôn, chia lưới phần tử 3D (Solid Mesh), phân tích điền đầy dòng chảy và độ co ngót trên Moldex3D; kiểm tra ứng suất Von Mises trên Creo Simulate.
• Giai đoạn 3 (Tuần 9–13): Lập trình đường chạy dao CAM, gia công phôi thép trên máy phay CNC Mazak VQC-20/40B, mài phẳng, nhiệt luyện và đánh bóng bề mặt lòng khuôn đạt độ nhám $Ra \le 0.2\text{ }\mu\text{m}$.
• Giai đoạn 4 (Tuần 14–16): Lắp ráp bộ khuôn, ép thử nghiệm trên máy ép phun Shine Well W-120B, xử lý lỗi ép phun và chuyển giao sản phẩm khuôn nhựa cho Trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM thử nghiệm trên cây dưa lưới sống.

---

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình mô hình hóa CAD trên PTC Creo Parametric bao gồm chuỗi lệnh tạo hình phức tạp:

1. Khởi tạo biên dạng xoay Revolve dạng Surface dựa trên đường cong Spline hình giọt nước.
2. Lệnh Trim cắt 50% mặt biên dạng đối xứng để tạo mặt phân khuôn chính.
3. Tạo mặt phẳng phụ trợ Datum Plane, phác thảo sketch vector chữ "Thọ" thư pháp cách điệu.
4. Sử dụng lệnh Offset chiếu và nâng khối chữ thư pháp lên mặt cong với chiều cao $2.5\text{ mm}$.
5. Lệnh Thicken phủ đồng nhất chiều dày thành nhựa $3.0\text{ mm}$.
6. Tạo vành tai ghép (Flange) rộng $15.0\text{ mm}$, đục 11 lỗ bắt vít $\varnothing 6.5\text{ mm}$, 1 lỗ thoát cuống $\varnothing 25\text{ mm}$ và 2 lỗ thoát nước đáy $8\times 8\text{ mm}$.

// Trích xuất cấu trúc G-Code gia công phay biên dạng chữ Thọ trên máy CNC Mazak VQC-20/40B
(ROUGHING CALLIGRAPHY CHARACTER - TOOL D6 FLAT ENDMILL)
G21 G90 G40 G80 G49
T01 M06 (D=6.0mm CR=0.0mm - CARBIDE ENDMILL)
S4500 M03
G00 G54 X12.450 Y-45.210
G43 H01 Z5.0 M08
Z-0.5
G01 Z-2.5 F350
G02 X24.890 Y-32.110 I12.44 J0.0 F1200
G01 X35.200 Y-20.150
...
(FINISHING SURFACE - TOOL D3 BALL NOSE ENDMILL)
T02 M06 (D=3.0mm BALL NOSE)
S8000 M03
G00 G54 X0.0 Y0.0 Z5.0
G01 Z-2.5 F600
G05 P10000 (HIGH-SPEED MACHINING MODE)
...
M09
M05
G91 G28 Z0.0
G28 X0.0 Y0.0
M30

Phân tích động học dòng chảy nhựa (CAE) bằng Moldex3D ghi nhận các kết quả mô phỏng kỹ thuật:

• Thời gian điền đầy (Melt Front Time): Dòng nhựa từ miệng phun trực tiếp tâm sản phẩm điền đầy hoàn toàn lòng khuôn trong $t_{fill} = 2.53\text{ s}$ ở áp suất phun $P_{inj} = 65\text{ bar}$. Dòng chảy tỏa tròn đều đặn, không xảy ra hiện tượng điền đầy cục bộ hay đông đặc sớm (Hesitation).
• Vị trí rỗ khí (Air Trap): Các bọt khí bị dồn nén tập trung chủ yếu ở đường chu vi mép vành ngoài sản phẩm. Thiết kế đã bố trí các khe thoát khí (Air Vents) sâu $0.02\text{ mm}$, rộng $5.0\text{ mm}$ tại mặt phân khuôn để giải tỏa áp suất khí.
• Đường hàn (Weld Line): Đường hàn xuất hiện ở phía sau các lỗ bu-lông gá đặt. Ứng suất nhiệt tại các điểm này được bù đắp nhờ việc tăng cường bán kính bo góc fillet $R1.5\text{ mm}$.
• Độ co rút thể tích (Volumetric Shrinkage): Phân bố dao động trong ngưỡng $1.2% - 1.8%$, đảm bảo dung sai kích thước sau ép nằm trong phạm vi $\pm 0.15\text{ mm}$.

                                           (t=1.8s)

Testing và validation

Quá trình ép thử nghiệm được tiến hành trên máy ép nhựa Shine Well W-120B với các thông số cài đặt thực nghiệm:

Thông số ép phun	Giá trị cài đặt thực nghiệm	Đơn vị
Lực kẹp khuôn (Clamping Force)	$120$	Tấn
Nhiệt độ vòi phun (Nozzle Temp)	$245$	$^\circ\text{C}$
Nhiệt độ trục vít Vùng 1 / Vùng 2 / Vùng 3	$230$ / $240$ / $250$	$^\circ\text{C}$
Nhiệt độ khuôn (Mold Temp)	$45$	$^\circ\text{C}$
Áp suất ép phun (Injection Pressure)	$68$	$\text{kg/cm}^2$
Áp suất giữ (Holding Pressure)	$40$	$\text{kg/cm}^2$
Thời gian làm nguội (Cooling Time)	$14.5$	Giây
Tổng chu kỳ ép (Cycle Time)	$22.8$	Giây

Khảo nghiệm nông học thực tế tại Trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM (Quận 12):

1. Giai đoạn lắp khuôn: Sau khi thụ phấn 18 ngày, quả dưa lưới đạt đường kính $80 - 85\text{ mm}$ được đưa vào giữa 2 nửa khuôn, siết đều 11 bu-lông M6 với lực siết $3.5\text{ N}\cdot\text{m}$. Toàn bộ cụm khuôn được treo đỡ bằng dây cáp chuyên dụng.
2. Giai đoạn phát triển lấn khuôn: Quả dưa lớn dần lấp đầy các khoảng hở sau 12 ngày lồng khuôn. Áp lực quả ép sát vào biên dạng chữ "Thọ", biểu bì dưa hình thành mô sẹo vân lưới sắc nét theo rãnh khắc.
3. Thoát nước và hô hấp: Hệ thống 2 lỗ thoát đáy giải phóng hoàn toàn nước tưới và dịch ngưng tụ, không xuất hiện nấm mốc hoặc thối cuống quả.

Kết quả đạt được

+-------------------------------------------------------------------------+
|                      SO SÁNH MỤC TIÊU VÀ KẾT QUẢ                        |
+--------------------------+-----------------------+----------------------+
| Thông số kỹ thuật        | Mục tiêu thiết kế     | Kết quả thực tế      |
+--------------------------+-----------------------+----------------------+
| Thời gian điền đầy CAE   | <= 3.0 s              | 2.53 s               |
| Bề dày vỏ sản phẩm       | 3.0 mm                | 2.98 ± 0.04 mm       |
| Khối lượng chi tiết ép   | 120 - 130 g           | 125.7 g              |
| Độ nổi chữ Thọ           | 2.5 mm                | 2.46 mm              |
| Tỷ lệ sống của quả dưa   | >= 85%                | 92.5% (37/40 quả)    |
| Tỷ lệ tạo hình đạt chuẩn | >= 80%                | 87.5% (35/40 quả)    |
+--------------------------+-----------------------+----------------------+

Các khuyết tật ban đầu như bavia (Flash) do biến dạng nhiệt ở vành khuôn và vết nhiễm màu trong nòng xy-lanh đã được khắc phục hoàn toàn sau 3 lần hiệu chỉnh áp suất kẹp và vệ sinh buồng gia nhiệt.

---

Đổi mới và đóng góp

• Tối ưu hóa hình học cho nông sản đặc thù: Khác với các loại khuôn hình khối lập phương hoặc hồ lô thông thường, cấu trúc giọt nước đáy phẳng phân bố đều ứng suất nội tại của quả khi lớn, giảm tỷ lệ nứt vỡ vỏ quả từ $28%$ xuống dưới $7.5%$.
• Tích hợp hoa văn Thư pháp vi mô: Ứng dụng kỹ thuật vát góc $15^\circ$ ở chân nét chữ thư pháp trên phần mềm CAD, cho phép dưa lưới hình thành vân lưới sắc nét mà không bị kẹt dính biểu bì khi thu hoạch.
• Làm chủ quy trình chế tạo nội địa: Chế tạo thành công bộ khuôn ép nhựa chuẩn xác với chi phí phôi thép và gia công CNC tại xưởng thấp hơn $65%$ so với việc đặt mua khuôn tùy biến từ nước ngoài.
• Đóng góp khoa học: Xây dựng cơ sở dữ liệu thực nghiệm về hệ số co ngót của nhựa PP trong điều kiện ép phôi thành dày $3.0\text{ mm}$ có kết cấu rãnh nổi, đóng vai trò tài liệu tham khảo giá trị cho các nghiên cứu khuôn mẫu cơ khí nông nghiệp.

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

Khả năng nhân rộng và thương mại hóa

Sản phẩm khuôn ép nhựa tạo hình giọt nước chữ "Thọ" đã chứng minh khả năng thương mại hóa mạnh mẽ tại các hợp tác xã nông nghiệp công nghệ cao (Củ Chi, Bình Dương, Long An, Đà Lạt):

                                                 (Mùa vụ 60 ngày)

Phân tích hiệu quả kinh tế (Cost-Benefit & ROI Analysis)

• Chi phí sản xuất khuôn nhựa: Chi phí khấu hao khuôn kim loại + hạt nhựa PP nguyên sinh + điện năng ép phun xấp xỉ $38.000\text{ VNĐ/bộ khuôn}$ (gồm 2 nửa mảnh ghép).
• Giá trị gia tăng trên nông sản:
  • Dưa lưới tròn tiêu chuẩn loại 1 ($1.5\text{ kg}$): Giá bán $65.000 - 80.000\text{ VNĐ/quả}$.
  • Dưa lưới tạo hình giọt nước chữ "Thọ" chưng Tết: Giá bán $450.000 - 750.000\text{ VNĐ/quả}$ (hoặc $1.200.000\text{ VNĐ/cặp}$).
• Thời gian hoàn vốn (ROI): Mỗi bộ khuôn nhựa có thể tái sử dụng tối thiểu 8–10 vụ mùa liên tiếp. Nhà vườn thu hồi 100% chi phí đầu tư khuôn ngay trong vụ thu hoạch đầu tiên với tỷ suất sinh lời ròng trên mỗi quả đạt $> 350%$.

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

• Cơ chế khóa cơ khí: Sử dụng 11 bu-lông siết thủ công đòi hỏi thời gian thao tác lắp đặt tại vườn lâu (khoảng $4 - 6\text{ phút/quả}$).
• Quy mô lòng khuôn: Bộ khuôn hiện tại chỉ có 1 lòng khuôn (Single-cavity), năng suất ép phun ở quy mô công nghiệp chưa đạt mức tối đa ($150\text{ sản phẩm/giờ}$).
• Hiện tượng ngưng tụ khí hậu cục bộ: Vào các ngày mưa kéo dài độ ẩm bão hòa $> 95%$, việc thoát hơi nước qua 2 lỗ đáy có độ trễ nhẹ, đòi hỏi công nhân phải kiểm tra thủ công.

Hướng phát triển

1. Nâng cấp thiết kế bộ khuôn lên 2 hoặc 4 lòng khuôn (Multi-cavity mold), tích hợp hệ thống kênh dẫn nóng (Hot Runner System) để triệt tiêu cuống keo thừa và rút ngắn chu kỳ ép xuống dưới $15\text{ s}$.
2. Nghiên cứu cơ cấu khóa ngàm gài đàn hồi dạng khớp bấm (Snap-fit joint) tích hợp ren siết nhanh, giảm thời gian lồng khuôn xuống dưới $1\text{ phút/quả}$.
3. Bổ sung phụ gia chống tia cực tím (UV Stabilizer) và chất kháng tĩnh điện vào hạt nhựa PP để tăng tuổi thọ làm việc ngoài trời lên trên 5 năm ($> 15\text{ vụ}$).

---

Đối tượng hưởng lợi

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                       LỢI ÍCH CỦA CÁC BÊN LIÊN QUAN                           |
+-----------------------------+-------------------------------------------------+
| Nhóm đối tượng              | Giá trị chuyển giao cụ thể                      |
+-----------------------------+-------------------------------------------------+
| Sinh viên & Kỹ sư cơ khí    | Tài liệu quy trình chuẩn CAD/CAE/CAM/CNC        |
|                             | Bộ thông số mô phỏng Moldex3D thực nghiệm       |
+-----------------------------+-------------------------------------------------+
| Doanh nghiệp khuôn mẫu      | Bản vẽ chế tạo khuôn 2 tấm tối ưu chi phí       |
|                             | Dữ liệu cắt gọt kim loại trên thép khuôn tiêu chuẩn |
+-----------------------------+-------------------------------------------------+
| Nhà vườn & Hợp tác xã       | Tăng lợi nhuận kinh tế từ 300% - 500%/vụ        |
|                             | Giảm thiểu tỷ lệ hỏng quả khi tạo hình          |
+-----------------------------+-------------------------------------------------+
| Nhà nghiên cứu nông học     | Dữ liệu phản ứng sinh lý dưa lưới dưới áp lực   |
+-----------------------------+-------------------------------------------------+

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật đối với máy ép nhựa để gia công bộ khuôn này là gì?

Máy ép nhựa cần có lực kẹp khuôn tối thiểu $100\text{ tấn}$ (khuyến nghị dòng máy $120\text{ tấn}$ như Shine Well W-120B), đường kính trục vít từ $35 - 45\text{ mm}$, dung tích phun tối thiểu $180\text{ cm}^3$, khoảng cách giữa các thanh dẫn hướng (Tie-bar space) lớn hơn $420\times 420\text{ mm}$ để gá đặt vừa kích thước vỏ khuôn $350\times 300\text{ mm}$.

2. Tại sao chọn vật liệu nhựa PP thay vì Polycarbonate (PC) hay ABS?

Nhựa PP sở hữu độ dai va đập tốt, khả năng uốn dẻo cao giúp hấp thụ áp lực giãn nở sinh học của quả mà không bị gãy giòn như PS hay nứt ứng suất như PC. Ngoài ra, PP có nhiệt độ nóng chảy thấp ($T_m \approx 250^\circ\text{C}$), dễ điền đầy thành mỏng, an toàn vệ sinh thực phẩm và giá thành nguyên liệu chỉ bằng $40%$ so với hạt nhựa PC kỹ thuật.

3. Làm thế nào để khắc phục hiện tượng đường hàn (Weld Line) quanh các lỗ bu-lông?

Thông qua kết quả mô phỏng Moldex3D, đường hàn được kiểm soát bằng cách tăng nhiệt độ khuôn lên $45 - 50^\circ\text{C}$ tại khu vực vành khuôn, tăng áp suất giữ (Packing Pressure) lên $40\text{ kg/cm}^2$ để nén chặt các phân tử nhựa tại điểm giao thoa dòng chảy, kết hợp bo cung lượn $R1.5\text{ mm}$ để phân tán ứng suất tập trung.

4. Chi phí bảo trì và tuổi thọ làm việc của bộ khuôn kim loại là bao nhiêu?

Bộ khuôn gia công từ thép hợp kim C45 (vỏ khuôn) và thép P20 tôi cứng sơ bộ (lòng khuôn) có tuổi thọ thiết kế đạt trên $300.000$ lần ép phun. Chi phí bảo trì định kỳ bao gồm vệ sinh lòng khuôn, bôi trơn chốt dẫn hướng và thay thế gioăng cao su đường nước làm nguội sau mỗi $50.000$ chu kỳ hoạt động.

5. Thời điểm chính xác nhất để lồng dưa lưới vào khuôn tạo hình là khi nào?

Thời điểm vàng để lắp khuôn là khi quả dưa đạt đường kính bằng $50% - 60%$ đường kính lòng khuôn (khoảng 16–20 ngày sau khi thụ phấn thành công). Nếu lồng quá sớm, cuống quả non dễ gãy; nếu lồng quá muộn, quả đã cứng biểu bì và không thể điền đầy các góc cạnh chữ "Thọ".

---

Kết luận

Đề tài tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo khuôn ép nhựa tạo hình trái cây giọt nước chữ thư pháp" đã hoàn thành xuất sắc toàn bộ khối lượng nghiên cứu lý thuyết, tính toán mô phỏng và chế tạo thực nghiệm. Dự án minh chứng tính hiệu quả vượt trội của chuỗi tích hợp CAD (PTC Creo) – CAE (Moldex3D) – CAM/CNC (Mazak) trong việc rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm cơ khí từ 6 tháng xuống còn 16 tuần, triệt tiêu các khuyết tật ép phun tiềm ẩn ngay từ giai đoạn thiết kế ảo.

Kết quả thử nghiệm thực tế tại Trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM với tỷ lệ tạo hình thành công đạt $87.5%$ trên giống dưa lưới thương phẩm khẳng định tính khả thi kỹ thuật và giá trị kinh tế to lớn của sản phẩm. Đây là bước đột phá kết hợp giữa cơ khí chính xác và nông nghiệp công nghệ cao, mở ra hướng đi bền vững nâng cao chuỗi giá trị cho nông sản Việt Nam vươn tầm quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Lý do chọn đề tài. Hiện nay, nền kinh tế của nước ta đang ngày càng phát triển. Các mẫu mã sản phẩm không chỉ phong phú, đa dạng mà còn có nhiều sự sáng tạo, đột phá phục vụ cho nhu cầu cuộc sống của con người.

Một trong đó phải kể đến các sản phẩm được sản xuất từ nhựa – một loại sản phẩm rất gần gũi với chúng ta. Các sản phẩm nhựa đang được ưa chuộng rộng rãi do nhẹ, bền, giá thành rẻ và có thể tái chế sử dụng lại. Vì thế, chúng ta có thể thấy sản phẩm nhựa ở khắc mọi nơi như trong các dụng cụ gia đình, các linh kiện điện tử, trong sản xuất máy móc, trang thiết bị… với đa dạng về hình dáng và màu sắc khác nhau. Nhờ những xu thế và tiềm năng của ngành công nghiệp nhựa hiện nay và đúng với chuyên ngành mà nhóm đang theo đuổi và học tập, nhóm đã bàn bạc để chọn ra một đề tài liên quan đến công nghệ ép phun mà cụ thể là thiết kế và chế tạo khuôn ép nhựa cũng như áp dụng tất cả các kiến thức mà mình có được để áp dụng vào việc thiết kế và chế tạo một bộ khuôn ép nhựa hoàn chỉnh, mang tính thực tế.

Sau một thời gian tìm hiểu, nhóm đã biết đến một phương pháp trồng cây vô cùng độc đáo và mới lạ - phương pháp tạo hình trái cây bằng khuôn nhựa. Khuôn dùng để ép này là những khuôn nhựa cứng dùng để ép các loại trái cây (như bưởi, dưa hấu, dưa lưới…) thành các dạng hình thù khác nhau như hình giọt nước, thỏi vàng, hồ lô… và trên đó có khắc chữ thư pháp như chữ tài, lộc. Các trái cây được tạo hình ra sẽ mang hình dáng và nét chữ của khuôn ép, trông rất bắt mắt và độc đáo. Chính vì thế, nhóm đã quyết định sẽ thực hiện đề tài “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO KHUÔN ÉP NHỰA TẠO HÌNH TRÁI CÂY GIỌT NƯỚC CHỮ THƯ PHÁP”.

Đề tài nghiên cứu này mang tính thực tế trong đời sống và sản xuất. Vì vậy, việc thực hiện đề tài đồ án này sẽ giúp nhóm áp dụng được tất cả các kiến thức, kỹ năng đã tích lũy được vào việc thiết kế và chế tạo một bộ khuôn ép nhựa mang tính thực tế cao, đồng thời trao dồi, bổ sung thêm kiến thức còn thiếu, rèn luyện các kỹ năng cần thiết, để sau này có sự tự tin để bước vào đời và đi làm. Tính thực tiễn của đề tài. Đây là một phương pháp trồng trái cây mới lạ đang được các nhà vườn áp dụng trong những năm gần đây ở trong nước và nước ngoài.

Trái cây sau khi phát triển đến kích cỡ cần thiết và khỏe mạnh không bị mối mọt, hư hỏng, hình dáng đẹp sẽ được đưa vào khuôn tạo hình, sau đó chăm sóc trái trong khuôn ép cho đến ngày thu hoạch. Đặc 1 Tieu luan biệt nếu các trái được ép mọc thành cặp cùng cuống với nhau thì giá trị kinh tế sẽ rất cao. Các sản phẩm trái cây sau khi được ép ra sẽ mang các hình dáng vô cùng độc đáo và bắt mắt, phục vụ nhu cầu của người tiêu dùng, nhất là đối với những dịp gần và trong ngày tết. Thay vì một trái bán chỉ từ vài ngàn đến vài chục ngàn trên một ký, thì những loại trái cây tạo hình độc đáo này có thể bán lên đến vài trăm, thậm chí vài triệu trên một trái hoặc một cặp trái.

Nhờ giá trị kinh tế mà phương pháp này đem lại, các nhà vườn đã thu lại nguồn thu nhập lớn trong một mùa vụ. Mục tiêu và giới hạn của đề tài.  Mục tiêu: - Nghiên cứu về nhu cầu sử dụng của sản phẩm hiện nay. - Thiết kế hình dáng 3D của sản phẩm và kết cấu bộ khuôn ép nhựa từ các phần mềm hỗ trợ.

- Phân tích dòng chảy nhựa trong khuôn và tính toán sức bền khuôn. - Gia công chế tạo bộ khuôn ép nhựa đã thiết kế. - Ép thử bộ khuôn và thử nghiệm sản phẩm (ép thử trái cây).  Giới hạn: - Đề tài giới hạn phạm vi kiến thức ở việc thiết kế và chế tạo ra bộ khuôn ép nhựa cho sản phẩm khuôn tạo hình trái cây với số lòng khuôn là 1, loại khuôn 2 tấm, vât liệu nhựa PP để tiết kiệm thời gian và chi phí.

- Việc thử nghiệm sản phẩm khuôn ép trái cây của bộ khuôn sẽ được thực hiện trên trái dưa lưới. Phương pháp nghiên cứu. - Khảo sát, tìm hiểu nhu cầu sử dụng của đề tài. - Hình thành ý tưởng hình dáng của sản phẩm theo đúng yêu cầu và mục đích sử dụng.

- Vận dụng tất cả các kiến thức đã học, các nguồn tài liệu từ sách vở, giáo trình, internet và từ những người xung quanh. - Nghiên cứu về vật liệu nhựa, vật liệu chế tạo bộ khuôn với giá cả hợp lí để tiết kiệm được chi phí làm bộ khuôn. - Sử dụng phần mềm PTC Creo Parametric là phần mềm hỗ trợ chính trong quá trình thiết kế sản phẩm, bộ khuôn ép nhựa và tính toán bền khuôn. - Sử dụng phần mềm Moldex 3D để phân tích dòng chảy nhựa trong khuôn.

- Gia công bộ khuôn bằng máy CNC. 2 Tieu luan - Sử dụng máy SHINE WELL W - 120B để ép sản phẩm. - Lấy sản phẩm để ép thử trên trái dưa lưới để đánh giá độ bền và khả năng ứng dụng của sản phẩm. Ý nghĩa của đề tài.

- Vận dụng những kiến thức đã học về khuôn ép nhựa, áp dụng vào việc thiết kế và chế tạo một bộ khuôn ép nhựa thực tế. - Bộ khuôn ép nhựa mà nhóm thiết kế và chế tạo ép ra sản phẩm là khuôn ép trái cây với hình dáng giọt nước, chữ thư pháp mới chưa có hiện nay (chữ Thọ) với giá thành rẻ, giúp các doanh nghiệp có mẫu mã sản phẩm mới, tăng sức cạnh tranh và làm đa dạng hơn sự lựa chọn của người tiêu dùng. - Tạo ra sản phẩm áp dụng vào nông nghiệp, mang tính thực tế cao. Nội dung của đồ án tốt nghiệp.

- Nghiên cứu về nhu cầu sử dụng và tính thực tế của đề tài. - Nghiên cứu hình dáng chi tiết phù hợp với mục đích sử dụng đã đề ra. - Thiết kế hình dáng 3D của sản phẩm. - Tách khuôn sản phẩm.

- Mô phỏng dòng chảy nhựa trong khuôn bằng phần mềm Moldex 3D. - Thiết kế vỏ khuôn và tính toán bền khuôn. - Nghiên cứu vật liệu nhựa và vật liệu làm khuôn để chọn ra vật liệu tốt nhất với giá thành rẻ. - Gia công bộ khuôn.

- Ép thử sản phẩm và lấy sản phẩm ép thử trái cây. - Đánh giá và viết báo cáo. 3 Tieu luan CHƯƠNG 2. Nghệ thuật tạo hình trái cây.

Phương pháp tạo hình trái cây đã được áp dụng tại nhiều nơi thế giới và cả ở trong nước ta, tạo ra rất nhiều hình dáng trái cây độc đáo, bắt mắt, thu hút sự quan tâm, ưa chuộng của người tiêu dùng.  Trên thế giới: Phương pháp này đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng và tạo ra được nhiều hình dáng trái cây khác nhau. Có lẽ cũng ít người được biết đế những cái tên lạ như dưa hấu bạch tuyết, dưa hấu hình vuông (Hình 2.1), cam hình 5 cạnh (Hình 2.2)… Đó là những sản phẩm tạo hình trái cây với bàn tay khéo léo và tỉ mỉ của người Nhật Bản – đất nước của những phát minh độc đáo.1: Các loại trái dưa tạo hình của Nhật Bản Hình 2.2: Cam hình 5 cạnh Hình 2.3 thể hiện một cặp trái lê hình phật vô cùng độc đáo được tạo ra trong khu vườn của công ty khuôn nhựa ép rau củ quả Fruit Mould của Trung Quốc. 4 Tieu luan Hình 2.3: Cặp trái lê hình phật Nông dân ở Chungju, miền nam của nước Hàn Quốc đã trồng thành công được những quả táo hình vuông đặc biệt với ý nghĩa chúc may mắn cho các sĩ tử vào mùa thi (Hình 2.4: Táo hình vuông Đó là những thành tích, thành quả mà một số quốc gia qua trên thế giới đã đạt được khi áp dụng phương pháp tạo hình trái cây này và hứa hẹn trong tương lai sẽ ngày càng phát triển hơn để tạo nhiều loại trái cây tạo hình độc đáo, đáp ứng nhu cầu của con người.

 Ở trong nước: Hiện nay, có rất nhiều nhà vườn đã ứng dụng phương pháp tạo hình trái cây và đạt được hiệu quả kinh tế cao hơn rất nhiều so với trồng trái cây thông thường như ép bưởi hồ lô, bưởi hình giọt nước, dưa hấu thỏi vàng, dừa hình bánh tết,… đồng thời trên đó có khắc thêm chữ thư pháp đẹp mắt (chữ tài, lộc…). Dưới đây là một số hình ảnh một số loại trái cây được tạo hình đẹp mắt người dân nước ta đã tạo hình được: Bưởi hồ lô: bưởi hình hồ lô có in chữ tài, lộc, lạ mắt được nhiều khách hàng đón nhận, yêu thích và dùng làm quà biếu vô cùng ý nghĩa (Hình 2. 5 Tieu luan Hình 2.5: Bưởi hồ lô Dưa hấu thỏi vàng khắc chữ tài, lộc: với ý nghĩa cầu mong năm mới được nhiều may mắn, phát tài có giá từ 1,3 - 2 triệu đồng/cặp (Hình 2.6: Dưa hấu thỏi vàng Dừa hình bánh tét: người dân đã mất 2 năm nghiên cứu và cho ra đời sản phẩm dừa tạo hình đòn bánh tét (Hình 2. Đây là một trong số các loại hoa quả được tạo hình độc đáo và cực kỳ hấp dẫn khách hàng.7: Dừa hình bánh tét 6 Tieu luan Đó là một số sản phẩm tạo hình trái cây độc đáo và đẹp mắt được tạo nên bởi bàn tay khéo léo của người dân nước ta.

Chính vì thế, việc chọn đề tài thiết kế và chế tạo khuôn ép nhựa tạo hình trái cây mang ý nghĩa thực tế cao, góp phần tạo nên một dạng sản phẩm khuôn ép mới, hình dáng trái cây với họa tiết in mới trên thị trường. Giới thiệu sơ lược về trái dưa lưới. Dưa lưới là giống cây thuộc họ bầu bí, là rau ăn quả có thời gian sinh trưởng ngắn, trồng được nhiều vụ trong năm với năng suất khá cao. Dưa lưới có quả hình ôval, da quả màu xanh, khi chín thương phẩm ngả xanh vàng và có các đường gân trắng đan xen như lưới nên có tên gọi là vân lưới.

Thịt quả dưa vân lưới thường màu vàng da cam nghiêng vàng đỏ (Hình 2.8: Dưa lưới Quả dưa lưới có trọng lượng trung bình từ 1. Dưa lưới có nguồn gôc từ châu Phi và Ấn Độ. Người Ai Cập là người đầu tiên trồng giống cây này, ban đầu dưa lưới nhỏ và ít ngọt, sau thời gian nó không ngừng phát triển cho đến nay trở thành loại trái to và ngọt.