Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành sản xuất thực phẩm và bánh ngọt hiện nay, bánh cupcake là món tráng miệng phổ biến, phục vụ nhu cầu khẩu phần ăn cá nhân tại các sự kiện, tiệc cưới và sinh nhật. Để tạo ra sản phẩm bánh đạt tiêu chuẩn chất lượng và thẩm mỹ, công đoạn tạo hình khuôn giấy nến giữ vai trò quyết định đến hình dạng, nếp gấp và khả năng định hình bánh trong quá trình nướng. Tuy nhiên, qua khảo sát thực tế tại thị trường Việt Nam, hầu hết các doanh nghiệp và tiệm bánh phải nhập khẩu máy ép hoặc mua khuôn giấy định hình sẵn từ nước ngoài (chủ yếu từ Trung Quốc). Thực trạng này dẫn đến chi phí đầu tư cao, giá thành sản phẩm tăng và doanh nghiệp bị phụ thuộc vào các mẫu mã khuôn cố định sẵn có trên thị trường.

Nhằm giải quyết bài toán tự động hóa trong khâu định hình vỏ bánh, giảm chi phí sản xuất và nâng cao tính chủ động về mẫu mã cho các cơ sở chế biến thực phẩm trong nước, đề tài "Thiết kế, chế tạo máy ép giấy nến thành khuôn làm bánh cupcake" (Mã số đề tài: CKM-126) đã được thực hiện tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm hai nội dung trọng tâm:

  1. Phục vụ cho các doanh nghiệp, cơ sở làm bánh nhằm đáp ứng đa dạng hóa mẫu mã sản phẩm và tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị.
  2. Thiết kế hệ thống máy đạt năng suất tính toán từ 3000 đến 3600 sản phẩm/giờ.

Nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể theo 4 nội dung:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, chức năng, nguyên lý hoạt động của các loại máy ép giấy nến bán tự động và tự động trên thị trường, từ đó đưa ra định hướng thiết kế phù hợp.
  2. Nghiên cứu cơ sở lý luận và thực tiễn về nhu cầu giảm chi phí, tăng năng suất của các cơ sở sản xuất bánh, phân tích các mẫu máy hiện hành từ nước ngoài để đề xuất và lựa chọn nguyên lý máy.
  3. Đề xuất và vận dụng các giải pháp kỹ thuật vào thiết kế kết cấu cơ khí, khuôn dập, hệ thống gia nhiệt và mạch điện điều khiển tự động.
  4. Kiểm nghiệm và thực nghiệm kết quả nghiên cứu: Chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy thực tế, kiểm tra khả năng hoạt động ổn định và yêu cầu hiệu quả làm việc đạt từ 80% trở lên so với tính toán.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Khách thể nghiên cứu: Các tiệm làm bánh cupcake và các công ty, xí nghiệp chế biến thực phẩm sản xuất bánh trong nước.
  • Đối tượng nghiên cứu: Giấy nến và bánh cupcake; kết cấu khuôn ép, phân bố nhiệt độ, ứng suất và chuyển vị trên khuôn; động học cơ cấu cam, hành trình chuyển động của xilanh khí nén; tính toán thiết kế cơ khí và mạch điều khiển PLC; quy trình chế tạo, lắp ráp và thực nghiệm mô hình máy.
  • Phạm vi nghiên cứu: Áp dụng cho phôi giấy nến hình tròn đường kính 120 mm, loại giấy tráng silicon chống dính một mặt thấm dầu. Máy tập trung giải quyết công đoạn tạo hình vỏ bánh cupcake có kích thước thành phẩm: đường kính đáy 50 mm, đường kính miệng 80 mm, chiều cao 40 mm. Công đoạn nạp phôi giấy vào khay chứa ban đầu được thực hiện thủ công, toàn bộ các khâu lấy phôi, định vị tâm, ép nhiệt và đẩy sản phẩm được thực hiện tự động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và nguyên lý khoa học sử dụng trong nghiên cứu:

  • Tính chất cơ - nhiệt của giấy nến: Giấy nến (giấy sáp/parchment paper) cấu tạo từ mạng lưới liên kết hydro không chứa chất kết dính nhân tạo, bề mặt phủ lớp silicon chịu nhiệt tối đa 250 °C. Ở điều kiện nhiệt độ cao, cấu trúc liên kết hydro giãn nở làm giấy mềm dẻo hơn, tăng khả năng biến dạng dẻo để giữ nếp gấp sắc nét và cố định hình dáng sau khi ép.
  • Định luật Joule-Lenz về chuyển hóa năng lượng: Ứng dụng điện trở đốt nóng một đầu để chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng truyền nhiệt tiếp xúc trực tiếp vào lòng khuôn ép kim loại.
  • Lý thuyết tính toán thiết kế máy và chi tiết máy: Phương pháp tính toán tải trọng và quán tính để chọn công suất động cơ bước; tính chọn và kiểm nghiệm bền, kiểm nghiệm ổn định trục vít me; tính toán công suất xilanh khí nén tác động đơn và tác động kép; lý thuyết tính chọn lò xo chịu nén và kiểm nghiệm ứng suất khung giàn theo giới hạn chảy của vật liệu thép và nhôm 6061.

Phương pháp nghiên cứu thực tế đã áp dụng:

  • Phương pháp khảo sát và tổng hợp tài liệu: Thu thập số liệu kỹ thuật của các dòng máy thương mại từ các nhà sản xuất nước ngoài (Foshan RuiXin, Ruian Best, Pingyang Dush, Zhejiang Vinot) và tra cứu thông số linh kiện chuẩn từ catalog công nghiệp.
  • Phương pháp phân tích - so sánh lựa chọn phương án: Đánh giá ưu - nhược điểm của các giải pháp kỹ thuật cho từng cụm chức năng (cấp phôi bằng vít me đai ốc so với xilanh khí nén; định vị phôi bằng cơ cấu cam so với xilanh trực tiếp; ép bằng xilanh khí nén so với cơ cấu cam lệch tâm; đẩy sản phẩm từ trên xuống so với đẩy từ dưới lên).
  • Phương pháp tính toán, thiết kế và mô phỏng số: Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor để dựng mô hình 3D tổng thể, tính khối lượng chi tiết và chia lưới kiểm nghiệm ứng suất, chuyển vị của khung máy. Sử dụng phần mềm Solidworks với các lệnh tách khuôn (Parting Line, Shut-Off Surface, Parting Surface, Tooling Split) và mô phỏng trường phân bố nhiệt độ trên khuôn âm và khuôn dương.
  • Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm kiểm chứng khả năng tạo nếp của giấy ở 2 mức nhiệt độ (nhiệt độ phòng 25 °C và gia nhiệt 90 - 100 °C với lực ép 250 N trong 1 phút); thực nghiệm điều chỉnh ốc lục giác lấy lượng giấy, kiểm tra độ kẹp, độ kéo định vị và khảo sát chất lượng nếp gấp sản phẩm ở các dải thời gian ép từ dưới 10 giây đến 10 - 15 giây.

Nguồn dữ liệu:

  • Dữ liệu kích thước tiêu chuẩn của khuôn bánh cupcake một khẩu phần ăn.
  • Catalog thông số kỹ thuật của xilanh khí nén, cảm biến tiệm cận, van điện từ khí nén, bộ điều khiển nhiệt độ, thanh điện trở nhiệt, PLC và màn hình giao diện HMI Delta.
  • Bảng tra cơ tính giới hạn chảy của thép thông dụng và hợp kim nhôm 6061.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy ép giấy nến thành khuôn bánh cupcake được thiết kế dưới dạng dây chuyền tạo hình tự động khép kín từ khâu gắp phôi đến khâu đẩy thành phẩm.

Thông số thiết kế Giá trị quy chuẩn
Nguồn điện vận hành AC 220 V – 50 Hz
Nguồn cung cấp khí nén 4 – 6 MPa
Kích thước tổng thể máy 730 × 600 × 1730 mm
Khối lượng máy ước tính ~ 195 kg
Năng suất tính toán thiết kế 3000 – 3600 sản phẩm/giờ
Phôi đầu vào Giấy nến tròn đường kính 120 mm, một mặt thấm dầu
Kích thước sản phẩm ép Đáy 50 mm, miệng 80 mm, chiều cao 40 mm

Kết cấu cơ khí và khuôn dập tạo hình:

  • Cụm khuôn ép: Gia công từ vật liệu nhôm 6061. Khuôn âm có kích thước bao 200 × 120 × 48 mm, khối lượng 4,968 kg, được gia công rãnh thoát sản phẩm và các vị trí định vị. Khuôn dương có kích thước 108 × 50 × 48 mm, khối lượng 2,196 kg, được gia công lỗ thông tâm để dẫn hướng ty đẩy sản phẩm.
  • Cụm gia nhiệt khuôn: Lắp đặt thanh gia nhiệt (que điện trở nhiệt một đầu) đường kính 12 mm, chiều dài 250 mm, công suất 300 W, điện áp 220 V, khả năng chịu nhiệt đến 1000 °C, bố trí trực tiếp vào lòng khuôn âm. Nhiệt độ khuôn được đo bằng que dò nhiệt dài 140 mm và kiểm soát tự động thông qua bộ điều khiển nhiệt độ dải làm việc từ 50 °C đến 300 °C.
  • Cơ cấu cấp phôi: Động cơ bước kết hợp bộ truyền vít me đai ốc dẫn hướng tịnh tiến tấm kẹp; kẹp giữ phôi giấy bằng xilanh khí nén một tác động sử dụng lò xo hồi vị.
  • Cơ cấu định vị phôi: Sử dụng xilanh khí nén kết hợp cơ cấu cam - thanh truyền kéo thanh gạt nhằm đưa tâm giấy nến trùng tâm lòng khuôn dập với sai số định vị trong khoảng ±2 mm.
  • Cơ cấu ép và đẩy sản phẩm: Cụm dập ép sử dụng xilanh khí nén tác động kép kết hợp cụm lò xo nén gia tăng lực định hình. Cụm đẩy sản phẩm tích hợp xilanh khí nén đẩy ty xuyên tâm từ trên khuôn dương xuống dưới lòng khuôn âm.

Hệ thống điều khiển và truyền động:

  • Bộ xử lý trung tâm: PLC lập trình điều khiển logic toàn bộ chu trình, kết nối với màn hình cảm ứng HMI Delta để cài đặt thông số thời gian, hiển thị trạng thái và cảnh báo lỗi.
  • Thiết bị ngoại vi: Cảm biến tiệm cận bố trí tại các vị trí hành trình của cơ cấu cấp phôi và cơ cấu dập; cụm van điện từ khí nén 5/3 và 5/2 điều khiển chiều di chuyển của các xilanh; hệ thống nút nhấn vận hành, nút dừng khẩn cấp E-stop, aptomat (CB) và bộ đổi nguồn DC 24 V, DC 5 V.

Quy trình vận hành logic của hệ thống:

  1. Cơ cấu kẹp giấy ở vị trí cảm biến 2, động cơ bước nhận lệnh quay truyền chuyển động qua trục vít me đưa cơ cấu kẹp tới ngăn chứa giấy ở vị trí cảm biến 3.
  2. Xilanh khí kẹp giấy kích hoạt, giữ chặt phôi giấy nến.
  3. Động cơ bước quay đảo chiều kéo phôi về phía khuôn ép (vị trí cảm biến 1). Trong quá trình di chuyển qua cảm biến 2, xilanh kéo giấy kích hoạt thông qua thanh truyền và chốt xoay đưa thanh kéo vào lòng khuôn.
  4. Đến cảm biến 1, xilanh kẹp nhả giấy; xilanh kéo giấy lùi về tạo lực ma sát gạt phôi giấy trượt vào đúng tâm lòng khuôn côn.
  5. Xilanh ép dập khuôn dương xuống lòng khuôn âm có gia nhiệt, giữ lực ép trong thời gian quy định (thực nghiệm tối ưu khoảng 12 giây).
  6. Sau thời gian dập nhiệt, khuôn dương nhấc lên 2 mm; xilanh đẩy kích hoạt ty đẩy hạ xuống đẩy rơi khuôn bánh cupcake thành phẩm ra khỏi khuôn. Động cơ bước đồng thời đưa cơ cấu kẹp đi lấy phôi cho chu trình tiếp theo.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này thiết lập tính cấp thiết của đề tài dựa trên nhu cầu tự động hóa khâu sản xuất khuôn bánh cupcake tại Việt Nam nhằm thay thế thiết bị và sản phẩm khuôn nhập khẩu. Tác giả xác định rõ mục tiêu chế tạo máy ép tự động đạt năng suất thiết kế 3000 - 3600 sản phẩm/giờ, xác lập các nhiệm vụ nghiên cứu từ khảo sát, tính toán, mô phỏng đến chế tạo thực nghiệm và giới hạn phạm vi nghiên cứu trên phôi giấy nến đường kính 120 mm.

Chương 2: Tổng quan đề tài

Nội dung chương giới thiệu chi tiết về nguyên liệu giấy nến (chống dính silicon, chịu nhiệt 250 °C, một mặt thấm dầu), cấu trúc bánh cupcake một khẩu phần và quy trình cơ bản trong ép tạo hình. Tác giả tiến hành khảo sát, lập bảng so sánh thông số kỹ thuật của 4 dòng máy thương mại của Trung Quốc:

  • Máy ép bán tự động Foshan RuiXin: AC 220 V, 50 - 60 Hz, kích thước 1580 × 1480 × 1600 mm, nặng 500 kg, năng suất 30 - 40 chiếc/phút.
  • Máy ép bán tự động Ruian Best: AC 220 V, 50 Hz, kích thước 1580 × 1480 × 1800 mm, nặng 500 kg, năng suất 45 - 60 chiếc/phút.
  • Máy ép tự động DS-JG Air Fryer: AC 220/380 V, kích thước 1700 × 1700 × 2000 mm, nặng 470 kg, năng suất 200 - 250 chiếc/phút.
  • Máy ép tự động Zhejiang Vinot: AC 220/380 V, kích thước 1580 × 1480 × 1600 mm, nặng 5000 kg, năng suất 200 - 300 chiếc/phút.

Qua phân tích, tác giả xác định kết cấu máy cần thiết kế gồm 2 khối chính: cụm cấp phôi và cụm ép - đẩy sản phẩm.

Chương 3: Phân tích lựa chọn phương án

Chương này đưa ra các phân tích so sánh kỹ thuật cho 4 giai đoạn hoạt động của máy nhằm thỏa mãn kích thước khuôn bánh (đáy 50 mm, miệng 80 mm, cao 40 mm) và tối ưu hóa diện tích lắp đặt:

  • Giai đoạn 1 (Cấp phôi): So sánh cơ cấu kéo bằng xilanh khí nén với động cơ bước kết hợp vít me đai ốc (chọn động cơ bước + vít me do nhỏ gọn, điều chỉnh chính xác vị trí và thời gian); so sánh cơ cấu kẹp dùng xilanh 1 tác động với nam châm điện (chọn xilanh 1 tác động có lò xo hồi vị vì không bị phát nhiệt làm mất từ tính khi làm việc liên tục).
  • Giai đoạn 2 (Định vị giấy): So sánh xilanh kết hợp cơ cấu cam/thanh truyền với xilanh kéo trực tiếp (chọn xilanh kết hợp cơ cấu cam nhằm giảm rung động của thanh gạt và đảm bảo độ lệch tâm ≤ ±2 mm).
  • Giai đoạn 3 (Ép sản phẩm): So sánh xilanh khí nén với động cơ bước kết hợp bánh cam lệch tâm (chọn xilanh khí nén do kết cấu tinh gọn, điều khiển linh hoạt qua van 5/3 và tích hợp tốt với cụm lò xo trợ lực).
  • Giai đoạn 4 (Đẩy sản phẩm): So sánh đẩy từ trên xuống với đẩy từ dưới lên (chọn đẩy từ trên xuống xuyên qua khuôn dương để tiết kiệm không gian và thuận tiện cho việc thoát sản phẩm).

Chương 4: Thiết kế sản phẩm, khuôn ép và hệ thống gia nhiệt

Chương 4 mô tả quy trình thiết kế khuôn bánh trên Autodesk Inventor và quy trình tách khuôn âm - khuôn dương trên phần mềm Solidworks bằng các lệnh Parting Line, Shut-Off Surface và Tooling Split. Kết quả chế tạo bộ khuôn bằng nhôm 6061 gồm khuôn âm (200 × 120 × 48 mm, nặng 4,968 kg) và khuôn dương (108 × 50 × 48 mm, nặng 2,196 kg).

Tác giả thực hiện thí nghiệm kiểm chứng ảnh hưởng của nhiệt độ khi ép tập 10 tờ giấy với lực ép 250 N trong 1 phút:

Điều kiện thực nghiệm Quá trình thực hiện Kết quả định hình
Ép ở nhiệt độ phòng (~ 25 °C) Lực ép 250 N, giữ trong 1 phút Nếp gấp mờ, độ đàn hồi của giấy làm bung hình dạng khuôn
Ép ở nhiệt độ cao (90 – 100 °C) Gia nhiệt khuôn bằng nước sôi, lực ép 250 N, giữ 1 phút Nếp gấp rõ nét, sản phẩm định hình ổn định, góc gấp sắc sảo

Từ kết quả thực nghiệm, nhóm nghiên cứu đã thiết kế cụm gia nhiệt tích hợp thanh điện trở nhiệt 300 W (phi 12 mm, dài 250 mm) vào khuôn âm cùng bộ điều khiển nhiệt độ (50 - 300 °C, đầu dò dài 140 mm), đồng thời tiến hành mô phỏng nhiệt và kiểm nghiệm bền ứng suất, chuyển vị của khuôn trên phần mềm.

Chương 5: Tính toán thiết kế phần cơ khí

Chương này tập trung vào các bài toán tính toán cơ học:

  • Tính chọn công suất và mô-men quay của động cơ bước dẫn động cụm cấp phôi dựa trên quán tính tải và vận tốc tịnh tiến.
  • Tính toán trục vít me: Lựa chọn đường kính, bước ren, phân tích lực dọc trục, vẽ biểu đồ nội lực và kiểm nghiệm trục vít me về độ bền tiếp xúc và độ ổn định chống uốn dọc.
  • Tính toán chọn khớp nối trục giữa động cơ bước và trục vít me; tính chọn ổ lăn đỡ trục theo tải trọng động và tĩnh.
  • Tính toán lực khí nén và lựa chọn kích thước hình học cho: xilanh kẹp phôi, xilanh ép chính và xilanh đẩy sản phẩm.
  • Tính toán lò xo nén cho cụm dập ép nhằm duy trì áp lực ép ổn định lên lòng khuôn.
  • Thiết kế động học cơ cấu cam và xilanh kéo định vị giấy vào tâm khuôn.
  • Thiết kế kết cấu khung máy dạng thép định hình hàn cứng vững; mô phỏng chia lưới trên Autodesk Inventor để kiểm nghiệm ứng suất tĩnh, ứng suất làm việc và chuyển vị của khung giàn dưới tải trọng tác dụng.

Chương 6: Thiết kế mạch điện điều khiển

Chương 6 trình bày cấu trúc hệ thống điện tự động hóa:

  • Bộ điều khiển khả trình PLC kết nối với giao diện HMI Delta.
  • Hệ thống cảm biến tiệm cận xác định các mốc vị trí của cơ cấu cấp phôi và cơ cấu dập.
  • Hệ thống van khí nén (van 5/3 và 5/2) điều khiển hệ xilanh tác động.
  • Sơ đồ bố trí tủ điện: Hệ thống nút nhấn điều khiển, nút dừng khẩn cấp E-stop, rơ-le trung gian, aptomat bảo vệ mạch và các bộ nguồn DC 24 V, 5 V.
  • Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển chu trình tự động và viết chương trình điều khiển đồng bộ giữa truyền động trục vít me của động cơ bước và hành trình dập ép của hệ thống khí nén.

Chương 7: Chế tạo và thực nghiệm máy

Trình bày toàn bộ quá trình gia công chế tạo cơ khí: gia công tiện các chi tiết chốt, ty đẩy tại xưởng cơ khí; gia công phay tấm đế và các chi tiết định vị tại xưởng Việt Đức; gia công phay CNC lòng khuôn tại xưởng CNC; gia công hàn khung giàn kim loại và phun sơn hoàn thiện. Sau khi lắp ráp hoàn thiện cơ khí, khí nén và tủ điện, tác giả tiến hành các bài thực nghiệm:

  • Thực nghiệm tinh chỉnh ốc lục giác để thay đổi lượng giấy nạp vào khuôn.
  • Thực nghiệm đánh giá lực kẹp và độ ổn định của cụm kẹp giấy.
  • Thực nghiệm kiểm tra độ đồng tâm của cơ cấu kéo định vị giấy vào lòng khuôn (khắc phục hiện tượng giấy bị lệch tâm bằng thanh gạt dẫn hướng).
  • Thực nghiệm thời gian dập ép: Ép trong thời gian ngắn dưới 10 giây sản phẩm bị bung nếp gấp do chưa đủ biến dạng dẻo; ép duy trì trong khoảng thời gian từ 10 đến 15 giây (mặc định thử nghiệm ~12 giây) cho ra sản phẩm đều nếp, sắc nét và đạt chuẩn hình học.
  • Đánh giá hiện tượng kẹt sản phẩm trong khuôn âm khi ép số lượng giấy lớn và đề xuất giải pháp xử lý; xây dựng quy trình an toàn vận hành.

Chương 8: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về mặt chế tạo mô hình, các thông số kỹ thuật thực nghiệm đo đạc được, chỉ rõ hai hạn chế cốt lõi về chủng loại giấy và thời gian chu trình, đồng thời đưa ra kiến nghị gia công lại bộ khuôn và tối ưu hóa chương trình điều khiển.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính của đề tài:

  • Chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình máy ép giấy nến thành khuôn làm bánh cupcake tự động, kết cấu máy vận hành ổn định và đồng bộ giữa cơ khí, khí nén và điều khiển PLC - HMI.
  • Kích thước thành phẩm đạt chuẩn theo thông số thiết kế ban đầu: đường kính đáy 50 mm, đường kính miệng 80 mm, chiều cao 40 mm.
  • Tỷ lệ nếp gấp của sản phẩm sắc nét, định hình rõ ràng và phân bố đều đạt khoảng 70%.
  • Năng suất hoạt động thực nghiệm của mô hình đạt khoảng 80% so với thông số tính toán thiết kế lý thuyết (3000 - 3600 sản phẩm/giờ).
  • Xác lập được chế độ ép nhiệt tối ưu cho giấy nến: Dập ép kết hợp gia nhiệt khuôn âm ở nhiệt độ cao, thời gian giữ ép từ 10 đến 15 giây (khoảng 12 giây) giúp duy trì độ cứng vững và thẩm mỹ của khuôn bánh.

Giải pháp và kiến nghị cải tiến do tác giả đề xuất:

  • Gia công lại bộ khuôn ép: Tinh chỉnh khe hở làm việc giữa khuôn âm và khuôn dương, tối ưu hóa rãnh thoát khí và góc nghiêng lòng khuôn nhằm hạn chế hiện tượng kẹt giấy khi ép đồng thời nhiều lớp phôi, nâng tỷ lệ nếp gấp đạt chuẩn lên trên mức 70%.
  • Cải tiến hệ thống điều khiển: Hiệu chỉnh thuật toán điều khiển PLC và tối ưu hóa thời gian trễ của các van điện từ nhằm rút ngắn thời gian chạy không của chu trình, giảm thời gian chu kỳ sản xuất để nâng cao năng suất thực tế tiệm cận mức tính toán.

Đóng góp của đồ án:

  • Về mặt lý luận và thiết kế: Hệ thống hóa phương pháp tính toán, thiết kế động lực học cơ cấu ép tạo hình kết hợp nhiệt cho vật liệu màng mỏng (giấy nến); cung cấp quy trình tách khuôn dập côn nhiều nếp gấp trên phần mềm CAD/CAM (Inventor, Solidworks).
  • Về mặt thực tiễn: Chế tạo thành công một mô hình máy dập khuôn bánh cupcake tự động hoàn chỉnh tại Việt Nam, chứng minh tính khả thi của giải pháp công nghệ nội địa nhằm thay thế thiết bị nhập khẩu, giúp các cơ sở làm bánh trong nước giảm chi phí đầu tư máy móc và chủ động thiết kế mẫu mã bao bì thực phẩm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được nhóm tác giả ghi nhận cụ thể trong văn bản:

  • Phạm vi tương thích vật liệu hẹp: Máy hiện tại chỉ thực hiện ép định hình ổn định trên loại giấy nến một mặt thấm dầu và một mặt không thấm dầu; chưa thích ứng với các loại vật liệu giấy tráng phủ khác hoặc định lượng giấy dày hơn.
  • Thời gian chu kỳ tạo sản phẩm còn dài: Do đặc thù giấy nến cần giữ nhiệt trong khoảng 10 đến 15 giây để triệt tiêu biến dạng đàn hồi và định hình nếp gấp, tốc độ dập từng chu trình bị giới hạn, làm giảm năng suất tổng thể của máy.
  • Chất lượng tạo nếp chưa tuyệt đối: Tỷ lệ nếp gấp đều và đạt chuẩn mới dừng lại ở mức khoảng 70%; vẫn xảy ra lỗi sản phẩm bị kẹt dính không đẩy được ra khỏi khuôn âm khi dập số lượng giấy lớn.
  • Công đoạn nạp phôi ban đầu vào ngăn chứa phôi vẫn phải thao tác thủ công, chưa có cụm cấp phôi tự động liên tục từ cuộn giấy hoặc khay nạp tự động dung lượng lớn.

Hướng mở nghiên cứu tiếp:

  • Tái gia công và nâng cấp kết cấu bộ khuôn ép âm - dương để khắc phục triệt để lỗi kẹt thành phẩm và nâng cao độ đồng đều của nếp gấp.
  • Tối ưu hóa chu trình điều khiển trên PLC và nghiên cứu giải pháp gia nhiệt đa điểm trên cả khuôn dương lẫn khuôn âm để rút ngắn thời gian giữ ép định hình.

Giá trị tham khảo

Đề tài là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên, giảng viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Cơ khí: Phục vụ trực tiếp cho học phần Đồ án thiết kế máy, Đồ án tốt nghiệp và các đề tài nghiên cứu liên quan đến máy dập tạo hình màng mỏng, cơ cấu cấp phôi tự động và hệ thống dập gia nhiệt.
  • Kỹ sư thiết kế máy và các xưởng cơ khí chế tạo: Có thể tham khảo phương pháp tính toán động học, mô phỏng tách khuôn côn và kết cấu kết hợp giữa động cơ bước, vít me đai ốc, cơ cấu cam và hệ thống xilanh khí nén.
  • Doanh nghiệp sản xuất phụ liệu làm bánh và bao bì thực phẩm: Tham khảo mô hình thiết kế thực tế để chế tạo các máy dập khuôn giấy nướng bánh quy mô vừa và nhỏ nhằm tiết kiệm chi phí nhập khẩu thiết bị từ nước ngoài.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong đồ án gồm:

  • Quy trình ứng dụng các lệnh Parting Line, Shut-Off Surface và Tooling Split trên Solidworks để thiết kế bộ khuôn dập côn có rãnh thoát sản phẩm (Chương 4).
  • Phương pháp tính toán cơ học lựa chọn động cơ bước, tính nghiệm bền trục vít me và chọn kích thước xilanh khí nén tác động kép (Chương 5).
  • Dữ liệu thực nghiệm so sánh biến dạng nhiệt của giấy nến ở các dải nhiệt độ và dải thời gian dập ép khác nhau (Chương 4 và Chương 7).

Câu hỏi thường gặp

1. Khuôn ép của máy được chế tạo bằng vật liệu gì và có kích thước cụ thể như thế nào?

Cả khuôn âm và khuôn dương của máy đều được chế tạo từ hợp kim nhôm 6061. Khuôn âm có kích thước phủ bì 200 × 120 × 48 mm với khối lượng 4,968 kg, được thiết kế rãnh thoát để đẩy sản phẩm ra dễ dàng. Khuôn dương có kích thước 108 × 50 × 48 mm với khối lượng 2,196 kg, được gia công khoét lỗ thông tâm để dẫn hướng ty đẩy sản phẩm từ trên xuống dưới.

2. Tại sao cơ cấu cấp phôi lại sử dụng động cơ bước kết hợp bộ truyền vít me đai ốc thay vì dùng xilanh khí nén?

Theo phân tích phương án ở Chương 3, việc sử dụng động cơ bước kết hợp vít me đai ốc giúp tiết kiệm diện tích tấm đỡ và không gian lắp đặt máy hơn so với dùng xilanh khí nén hành trình dài. Động cơ bước cho phép điều khiển chính xác góc quay, dễ dàng tinh chỉnh tốc độ tịnh tiến của bộ kẹp để kiểm soát thời gian cấp phôi và có thể dừng định vị linh hoạt tại bất kỳ tọa độ nào trên hành trình, trong khi xilanh chỉ cố định ở hai đầu mút hành trình.

3. Hệ thống gia nhiệt của máy sử dụng thiết bị gì và việc gia nhiệt mang lại tác dụng gì cho sản phẩm?

Hệ thống gia nhiệt sử dụng thanh gia nhiệt (que điện trở nhiệt một đầu) đường kính 12 mm, chiều dài 250 mm, công suất 300 W, điện áp 220 V gắn trên khuôn âm và kiểm soát bằng bộ điều khiển nhiệt độ dải 50 - 300 °C (que dò dài 140 mm). Thực nghiệm chứng minh khi ép ở nhiệt độ phòng (25 °C), nếp gấp giấy bị mờ và bung ra do tính đàn hồi; khi gia nhiệt ở 90 - 100 °C, cấu trúc liên kết hydro trong giấy nến mềm dẻo hơn, giúp các nếp gấp định hình rõ nét, sắc cạnh và giữ vững hình dáng khuôn bánh cupcake sau khi dập.

4. Thời gian dập ép định hình tối ưu được xác định qua thực nghiệm là bao lâu?

Thực nghiệm ở Chương 7 chỉ ra rằng nếu ép dập khuôn trong thời gian ngắn dưới 10 giây, sản phẩm sẽ bị bung nếp gấp do nhiệt lượng chưa truyền đủ làm mềm giấy. Thời gian ép tối ưu để tạo ra sản phẩm đạt chất lượng, nếp gấp rõ nét và giữ hình dạng ổn định là từ 10 đến 15 giây (chu trình thử nghiệm chuẩn trên máy được thiết lập khoảng 12 giây).

5. Năng suất và chất lượng định hình thực tế của mô hình máy đạt mức bao nhiêu so với tính toán?

Khi vận hành thực nghiệm, mô hình máy hoạt động ổn định và đạt năng suất thực tế bằng khoảng 80% so với thông số tính toán thiết kế (mục tiêu lý thuyết là 3000 - 3600 sản phẩm/giờ). Sản phẩm tạo ra đạt chuẩn kích thước hình học (đáy 50 mm, miệng 80 mm, cao 40 mm), trong đó tỷ lệ sản phẩm có các nếp gấp đều và sắc nét đạt khoảng 70%.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo máy ép giấy nến thành khuôn làm bánh cupcake" đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa dây chuyền tạo hình vỏ bánh cupcake từ giấy nến chống dính một mặt thấm dầu. Công trình đã kết hợp đồng bộ giữa tính toán cơ học chi tiết máy, mô phỏng nhiệt - cấu trúc trên khuôn nhôm 6061, lập trình điều khiển tự động PLC - HMI và gia công chế tạo mô hình máy thực tế hoàn chỉnh. Kết quả thực nghiệm cho thấy máy vận hành ổn định, thành phẩm đạt chuẩn kích thước hình học với năng suất thực tế tiệm cận 80% so với tính toán thiết kế. Đề tài cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm và giải pháp kỹ thuật khả thi cho việc nội địa hóa thiết bị dập khuôn thực phẩm tại Việt Nam.