Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong đời sống đô thị hiện đại, nhu cầu trồng và chăm sóc cây xanh, cây cảnh quy mô nhỏ trong không gian sống và làm việc ngày càng gia tăng. Tuy nhiên, áp lực công việc và nhịp sống bận rộn khiến người sử dụng gặp khó khăn trong việc duy trì tưới tiêu định kỳ. Dữ liệu khảo sát từ nền tảng Metric.vn trên các sàn thương mại điện tử (Shopee, Tiki, Lazada) giai đoạn từ tháng 11/2021 đến tháng 10/2022 cho thấy phân khúc chậu tự tưới đạt doanh thu 696 triệu đồng trong 12 tháng, với mức tăng trưởng quý gần nhất đạt 34,7%, phổ biến từ các thương hiệu như Odm, Oem, E. Mặc dù có nhu cầu thị trường rõ nét, các dòng sản phẩm hiện hữu vẫn tồn tại nhiều hạn chế kỹ thuật: không hỗ trợ đa dạng chủng loại cây, rễ cây dễ bị tổn thương do thiếu đất bảo vệ trước biến động thời tiết, không kiểm soát được lưu lượng nước cung cấp và đòi hỏi người dùng phải kiểm tra mực nước thủ công thường xuyên.

Đề tài "Thiết kế và chế tạo khuôn chậu cây tự tưới nước" được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo Máy, Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm giải quyết triệt để các hạn chế trên thông qua việc thiết kế một sản phẩm hoàn chỉnh đi kèm bộ khuôn ép nhựa và hệ thống điều khiển tự động.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể qua các nội dung sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về sản phẩm nhựa, công nghệ ép phun và công nghệ gia công khuôn mẫu.
  2. Đánh giá các dòng sản phẩm chậu cây tự tưới trên thị trường và xây dựng mô hình thiết kế sản phẩm cải tiến.
  3. Thiết kế hoàn chỉnh bộ khuôn ép nhựa cho chậu cây.
  4. Lập trình gia công và chế tạo các tấm khuôn trên máy công cụ điều khiển số.
  5. Mô phỏng, phân tích số liệu dòng chảy nhựa và tính toán độ bền của kết cấu khuôn.
  6. Chế tạo hộp điều khiển tự động hóa quy trình tưới.
  7. Lắp ráp, thực nghiệm ép mẫu trên máy ép nhựa chuyên dụng và hiệu chỉnh thông số kỹ thuật.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là kết cấu khuôn mẫu ép nhựa hai tấm và sản phẩm chậu cây tích hợp cơ chế tự tưới nước. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lĩnh vực cơ khí chế tạo máy, công nghệ gia công cơ khí chính xác CNC, kỹ thuật phân tích CAE trong ép phun nhựa và điều khiển thiết bị tự động.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết dựa trên các nguyên lý cơ bản của khoa học vật liệu polymer, công nghệ gia công cơ khí và công nghệ ép phun chất dẻo. Tác giả đã tiến hành so sánh chuyên sâu giữa hai dòng nhựa nhiệt dẻo phổ biến:

  • Polyethylene (PE): Chịu nhiệt dưới 230°C, tính thấm oxy tương đối cao, kháng hóa chất tốt nhưng độ cứng cơ học thấp hơn, khó đạt độ trong suốt tự nhiên nếu không có chế độ làm lạnh cấp tốc sau đùn.
  • Polypropylene (PP): Tỷ trọng nhẹ, độ bền cơ học cao, độ cứng vững tốt, kháng nhiệt vượt trội hơn PE, thích hợp cho quá trình gia công ép phun và chịu được ứng suất nứt tốt. Nhựa PP được lựa chọn làm vật liệu gia công sản phẩm chậu cây.

Về mặt công nghệ, tác giả phân tích và đối chiếu hai giải pháp sản xuất chi tiết nhựa: phương pháp gia công cắt gọt CNC và công nghệ ép phun (Injection Molding). Quy trình ép phun tiêu chuẩn được chia thành 5 nguyên công kỹ thuật: chuẩn bị và hóa dẻo vật liệu; ép phun nhựa vào lòng khuôn; giữ áp suất định hình và làm nguội; làm mát và mở khuôn; khử bavia cùng kiểm tra khuyết tật sản phẩm.

Về kết cấu khuôn, nghiên cứu tập trung vào hai dạng kết cấu:

  • Khuôn hai tấm: Kết cấu gồm khuôn trước và khuôn sau, tích hợp 5 hệ thống chính (định vị - dẫn hướng, cấp nhựa, đẩy sản phẩm, làm nguội, thoát khí). Loại khuôn này có ưu điểm kết cấu gọn gàng, độ tin cậy cơ học cao, phù hợp với sản phẩm có miệng mở lớn.
  • Khuôn ba tấm: Kết cấu gồm tấm cố định, tấm di động và tấm giữ đuôi keo, cho phép bố trí cổng nhựa trung tâm hoặc nhiều cổng điểm chốt, tuy nhiên quãng đường dẫn nhựa dài gây giảm áp lực phun.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng được thực hiện đồng bộ:

  • Sử dụng phần mềm PTC Creo Parametric 8.0 cho quá trình thiết kế tạo hình hình học 3D, tách mặt phân khuôn và lập trình gia công CAM.
  • Sử dụng phần mềm Moldex3D Studio 2021 và mô-đun Plastic Mold Analysis trên Creo để mô phỏng dòng chảy, phân tích các thông số nhiệt động học của chất lưu nhựa.
  • Tính toán phần tử hữu hạn (FEA) bằng Creo Simulate để kiểm chứng ứng suất và biến dạng của kết cấu khuôn dưới áp lực ép.
  • Gia công chế tạo khuôn thực tế bằng máy phay CNC OKUWA - HOWA MILLAC 65V và thử nghiệm ép sản phẩm trên máy ép nhựa TAIWAN YP-250SI.

Thiết kế kỹ thuật và triển khai hệ thống

Hệ thống sản phẩm hoàn chỉnh bao gồm ba cấu phần cơ bản: chậu nhựa định hình bằng phương pháp ép phun, tấm chặn nước bằng vật liệu mica và hộp điều khiển điện tử tích hợp kết nối mạng không dây.

Cấu phần Thông số kích thước / Kỹ thuật Vật liệu / Thiết bị sử dụng Chức năng kỹ thuật
Chậu cây Kích thước miệng: 170 x 170 x 150 mm; Đáy: D = 115 mm; Chiều dày thành: 2 mm; Chiều dày gân: 1 mm; Dung tích chứa nước: 500 ml Nhựa Polypropylene (PP), hệ số co rút quy chuẩn 1,5% Chứa đất trồng, tạo khoang chứa nước, bố trí 4 chân nghiêng 10°, góc thoát khuôn miệng 1,5°, 4 vấu bắt vít D = 3,5 mm
Tấm chặn nước Độ dày: 5 mm; Hộp che động cơ bơm: 90 x 35 x 30 mm Tấm nhựa mica gia công định hình Phân chia khoang chậu thành hai phần riêng biệt, ngăn đất rơi xuống vùng chứa nước, gá đặt bơm chìm và 2 cảm biến
Hộp điều khiển Kích thước: 155 x 120 x 75 mm; Khối lượng: 1,0 kg; Điện áp nguồn: 220V AC biến đổi sang 12V - 2A DC Vỏ hộp mica gia công CNC, rơ le thời gian (timer), mạch công tắc thông minh Đóng ngắt nguồn điện cho bơm nước theo lịch hẹn giờ hoặc nhận tín hiệu kích hoạt từ xa qua mạng không dây
Bộ khuôn ép Kích thước phủ bì: 325 x 275 x 225 mm; Kết cấu: Khuôn 2 tấm, 1 lòng khuôn Thép S45C (giới hạn bền cho phép 610 MPa), linh kiện chuẩn Misumi Định hình sản phẩm chậu cây, tích hợp hệ thống làm nguội tuần hoàn, cổng phun trực tiếp và hệ thống đẩy xupap

Quy trình thiết kế khuôn trên Creo Parametric 8.0 đảm bảo tính toán lượng bù co ngót cho vật liệu PP, kiểm tra góc thoát khuôn (draft angle), thiết lập mặt phân khuôn tự động và xây dựng hệ thống cấp nhựa. Hệ thống làm mát được bố trí chạy quanh lòng khuôn cái và lõi đực để giải nhiệt đồng đều. Hệ thống đẩy sử dụng cơ cấu đẩy bằng xupap kết hợp ty đẩy và lò xo chuyên dụng từ catalog Misumi để giải phóng sản phẩm khỏi lòng khuôn sau khi mở mà không gây biến dạng thành mỏng.


Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn của người trồng cây trong điều kiện hạn chế về thời gian chăm sóc. Tác giả phân tích ý nghĩa khoa học trong việc làm chủ quy trình công nghệ từ khâu thiết kế đến chế tạo khuôn mẫu ép nhựa và ý nghĩa thực tiễn trong việc cung cấp một giải pháp gia dụng có chi phí hợp lý. Chương này cũng xác định rõ các mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu cùng các phương pháp tiếp cận lý thuyết và thực nghiệm.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tổng hợp kết quả khảo sát thị trường kinh doanh chậu tự tưới tại Việt Nam thông qua số liệu Metric.vn, chỉ rõ các khiếm khuyết của các mẫu chậu nhập khẩu hoặc sản xuất trôi nổi. Tiếp đó, chương đi sâu vào cấu trúc và đặc tính hóa lý của vật liệu nhựa nhiệt dẻo PE và PP; phân tích các tiêu chí lựa chọn công nghệ gia công nhựa (chất liệu, hình thức, sản lượng, chi phí, thời gian). Nội dung chương cũng trình bày cấu tạo tổng quát của máy ép phun, phân tích 5 nguyên công ép phun tiêu chuẩn và so sánh ưu nhược điểm kỹ thuật giữa kết cấu khuôn hai tấm và khuôn ba tấm.

Chương 3: Thiết kế sản phẩm 3D, phân tích dòng chảy nhựa, tính toán độ bền khuôn

Chương 3 trình bày các bước tạo mô hình hình học 3D của thân chậu, tấm ngăn nước và vỏ hộp điều khiển trên phần mềm Creo Parametric 8.0. Tác giả trình bày kết quả phân tích dòng chảy nhựa (CAE) và độ bền kết cấu:

  • Thời gian điền đầy (Melt Front Time): Tổng thời gian điền đầy lòng khuôn đạt 3,362 giây (mức 20% đạt 0,238 s; 50% đạt 0,594 s; 90% đạt 1,07 s).
  • Áp suất phun cực đại (Maximum Injection Pressure): Đạt 151,561 MPa, đảm bảo nhựa nóng chảy vượt qua trở lực để điền đầy các chi tiết vách mỏng và chân đế.
  • Rỗ khí (Air Trap): Phân bố tập trung chủ yếu tại vùng vành miệng trên của chậu, cung cấp dữ liệu định vị rãnh thoát khí trên mặt phân khuôn.
  • Đường hàn (Weld Line): Xuất hiện tại vị trí các dòng nhựa hội tụ ở phía cuối dòng chảy.
  • Co rút thể tích (Volumetric Shrinkage): Tỷ lệ co rút thể tích lớn nhất đạt 10,003%, nằm trong phạm vi cho phép đối với nhựa PP.
  • Thời gian làm nguội lớn nhất (Maximum Cooling Time): Đạt 29,837 giây, đảm bảo chi tiết đóng rắn hoàn toàn trước khi đẩy khuôn.
  • Độ bền khuôn: Ứng suất von Mises lớn nhất đo được là 376,144 MPa, thấp hơn giới hạn bền cho phép của thép S45C (610 MPa).
  • Chuyển vị đàn hồi: Giá trị chuyển vị lớn nhất đạt -0,22055 mm, đảm bảo tấm khuôn không bị biến dạng quá mức gây hiện tượng xì bavia qua rãnh thoát khí.

Chương 4: Thiết kế bộ khuôn ép nhựa

Chương 4 tập trung vào quy trình thiết kế cơ khí chi tiết cho bộ khuôn hai tấm sử dụng phôi thép S45C:

  • Kiểm tra tính công nghệ của mô hình sản phẩm và thực hiện tách mặt phân khuôn trên Creo Parametric.
  • Thiết kế hệ thống cấp nhựa gồm cuống phun côn, bạc cuống phun dẫn trực tiếp vào tâm đáy chậu nhằm giảm tổn hao áp suất.
  • Bố trí các đường dẫn nước làm mát bao quanh tấm cái và tấm đực để tối ưu hóa chu kỳ làm nguội.
  • Thiết kế hệ thống thoát khí tại các vị trí tập trung rỗ khí đã dự báo từ mô phỏng CAE.
  • Thiết kế cụm đẩy sản phẩm sử dụng cơ cấu xupap trung tâm kết hợp ty đẩy đáy và lò xo hoàn vị.
  • Lựa chọn linh kiện chuẩn từ nhà sản xuất Misumi bao gồm bạc cuống phun, chốt dẫn hướng, bạc dẫn hướng, ty đẩy và bulong liên kết.

Chương 5: Gia công và lắp ráp khuôn

Chương 5 mô tả chi tiết tiến trình công nghệ chế tạo cơ khí và thử nghiệm thực tế:

  • Lập quy trình công nghệ và chương trình gia công CNC cho các tấm khuôn chính: tấm ghép đáy, tấm cái (gia công hai mặt A và B), tấm đế đực (gia công hai mặt A và B), tấm ghép đực (tấm cục đực) và tấm kẹp đực trên máy phay OKUWA - HOWA MILLAC 65V.
  • Quy trình đánh bóng lòng khuôn để đạt độ bóng bề mặt yêu cầu, loại bỏ vết dao phay.
  • Tiến trình lắp ráp các chi tiết tiêu chuẩn và cụm tấm khuôn thành bộ khuôn hoàn chỉnh kích thước 325 x 275 x 225 mm.
  • Thực nghiệm ép mẫu trên máy ép TAIWAN YP-250SI: Quá trình ép thử nghiệm trải qua 3 giai đoạn (lần 1 sản phẩm bị thiếu liệu/lỗi bề mặt, lần 2 cải thiện dòng chảy, lần 3 hiệu chỉnh tối ưu áp suất và nhiệt độ nung để ra sản phẩm hoàn thiện không khuyết tật).
  • Gia công chi tiết tấm chắn nước và vỏ hộp điều khiển từ phôi mica, lắp ráp mạch điện gồm biến áp nguồn, rơ le hẹn giờ, module điều khiển từ xa, đấu nối động cơ bơm mini và cụm 2 cảm biến báo mức nước (cạn và đầy).
  • Thử nghiệm vận hành thực tế hệ thống tự tưới theo thời gian cài đặt và qua ứng dụng di động.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra với các kết quả định lượng cụ thể:

  1. Chế tạo thành công bộ khuôn ép nhựa hai tấm hoàn chỉnh từ vật liệu thép S45C, kích thước bao 325 x 275 x 225 mm, lắp ghép chính xác các linh kiện tiêu chuẩn Misumi.
  2. Sản xuất thành công chậu cây nhựa PP đạt quy cách thiết kế: kích thước 170 x 170 x 150 mm, chiều dày vách 2 mm, khối lượng 114 gam, dung tích khoang chứa nước đạt 500 ml. Bề mặt sản phẩm bóng mịn, không có bavia, không bị rỗ khí hay cong vênh sau khi tối ưu hóa chế độ ép.
  3. Chế tạo hộp điều khiển tự động kích thước 155 x 120 x 75 mm, khối lượng 1 kg, vận hành bằng nguồn điện chuyển đổi 220V sang 12V - 2A DC, tích hợp thành công hai phương thức tưới: hẹn giờ tự động qua timer và điều khiển không dây từ xa thông qua điện thoại thông minh, kết hợp cảnh báo mức nước thông qua 2 cảm biến gắn tại tấm ngăn.

Về mặt đóng góp khoa học và kỹ thuật, đồ án đã hiện thực hóa quy trình thiết kế và sản xuất khép kín: ứng dụng công cụ CAD/CAM/CAE (Creo Parametric và Moldex3D) để dự báo chính xác các khuyết tật ép phun (rỗ khí, đường hàn, co rút) và kiểm tra bền kết cấu trước khi đưa vào gia công thực tế trên máy CNC. Việc kết hợp cơ khí chính xác khuôn mẫu với hệ thống vi mạch điều khiển tự động mang lại một giải pháp sản phẩm gia dụng có khả năng cạnh tranh với các sản phẩm nhập khẩu trên thị trường.


Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản khóa luận đã thẳng thắn ghi nhận một số hạn chế do điều kiện trang thiết bị và kinh nghiệm thực tế của nhóm sinh viên:

  • Một số chi tiết trong kết cấu bộ khuôn gia công cơ khí chưa đạt mức tối ưu hóa cao nhất phục vụ cho sản xuất công nghiệp hàng loạt ở quy mô lớn, quá trình ép ban đầu vẫn cần nhiều bước cân chỉnh thông số vận hành của máy ép nhựa.
  • Hộp điều khiển và tấm chặn nước vẫn sử dụng phương pháp gia công thủ công và cắt gọt từ mica, chưa được module hóa hoặc đúc khuôn đồng bộ cùng thân chậu.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Tiếp tục tối ưu hóa đường dẫn nguội và tự động hóa cơ cấu đẩy phôi trên khuôn ép để rút ngắn chu kỳ ép phun.
  • Nghiên cứu thiết kế khuôn dập hoặc khuôn ép nhựa chuyên dụng cho nắp hộp điều khiển và tấm ngăn nước nhằm thay thế phương pháp gia công tấm mica rời.
  • Tích hợp thêm cảm biến đo độ ẩm đất thực tế thay vì chỉ điều khiển tưới dựa trên bộ đếm thời gian thuần túy, nâng cao mức độ thông minh của hệ thống.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Chế tạo Máy, Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Khuôn mẫu và Cơ điện tử:

  • Phần quy trình công nghệ gia công cơ khí (Chương 5) cung cấp các bảng thông số công nghệ thực tế, tiến trình gá đặt phôi và các bước phay CNC chi tiết cho từng tấm khuôn cái, tấm đực trên máy OKUWA - HOWA MILLAC 65V.
  • Phần ứng dụng CAE (Chương 3) là tài liệu tham khảo trực quan về cách thiết lập bài toán chia lưới, phân tích dòng chảy nhựa (thời gian điền đầy, áp suất, rỗ khí, đường hàn) và mô phỏng ứng suất bền khuôn trên nền tảng Creo Parametric và Moldex3D.
  • Phần tích hợp điều khiển cung cấp sơ đồ nguyên lý mạch điện đơn giản nhưng hiệu quả trong việc kết hợp thiết bị cơ khí truyền thống với mạch đóng ngắt tự động và điều khiển từ xa.

Câu hỏi thường gặp

Áp suất phun lớn nhất và thời gian điền đầy nhựa PP của chậu cây trong mô phỏng CAE đạt giá trị bao nhiêu?
Theo kết quả mô phỏng dòng chảy bằng phần mềm, thời gian điền đầy hoàn toàn lòng khuôn là 3,362 giây và áp suất phun cực đại cần thiết để nhựa điền đầy sản phẩm là 151,561 MPa.

Độ bền của bộ khuôn thép S45C được kiểm chứng như thế nào trước khi gia công?
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng tính năng Creo Simulate để phân tích phần tử hữu hạn (FEA). Kết quả cho thấy ứng suất tương đương lớn nhất tác dụng lên khuôn là 376,144 MPa, thấp hơn giới hạn bền cho phép của vật liệu thép S45C (610 MPa), và độ chuyển vị lớn nhất là -0,22055 mm, đảm bảo khuôn không bị phá hủy hoặc biến dạng hở mặt phân khuôn.

Sản phẩm chậu cây có kích thước và dung tích chứa nước cụ thể là bao nhiêu?
Chậu cây sau khi ép có kích thước miệng 170 x 170 x 150 mm, đường kính đáy D = 115 mm, chiều dày vách 2 mm, chiều dày gân gia cường 1 mm, khối lượng 114 gam và dung tích khoang chứa nước ở phần đáy là 500 ml.

Hệ thống tự động tưới nước được cấu tạo và vận hành dựa trên nguyên lý nào?
Hệ thống sử dụng một hộp điều khiển kích thước 155 x 120 x 75 mm cấp nguồn DC 12V - 2A cho máy bơm chìm đặt tại tấm ngăn nước đáy chậu. Quá trình bơm xả nước được kích hoạt tự động theo hai chế độ: định kỳ thông qua bộ rơ le thời gian (timer) hoặc đóng ngắt từ xa qua công tắc thông minh kết nối mạng không dây, có 2 cảm biến báo trạng thái nước đầy và cạn.

Các tấm khuôn chính được gia công trên loại máy CNC nào và sử dụng máy ép nhựa nào để thử nghiệm?
Các tấm khuôn (tấm ghép đáy, tấm cái, tấm đế đực, tấm ghép đực, tấm kẹp đực) được gia công phay CNC trên máy OKUWA - HOWA MILLAC 65V. Quá trình ép thử nghiệm sản phẩm thực tế được tiến hành trên máy ép phun thủy lực TAIWAN YP-250SI.


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo khuôn chậu cây tự tưới nước" của nhóm tác giả Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM đã hoàn thành trọn vẹn quy trình kỹ thuật từ khảo sát nhu cầu, mô hình hóa CAD 3D, phân tích dòng chảy và độ bền CAE đến chế tạo khuôn CNC và ép thử nghiệm thành công sản phẩm chậu nhựa PP. Sản phẩm đạt độ chính xác hình học, thẩm mỹ bề mặt tốt, kết hợp đồng bộ với hộp điều khiển tự động hóa quy trình tưới nước từ xa. Đây là công trình kỹ thuật mang tính thực tiễn cao, minh chứng cho việc ứng dụng hiệu quả công nghệ CAD/CAM/CAE và tự động hóa trong chế tạo sản phẩm gia dụng hiện đại.