Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sau giai đoạn biến động của đại dịch Covid-19, thị trường đồ gỗ và nội thất toàn cầu ghi nhận những chuyển dịch rõ rệt về nhu cầu tiêu dùng. Cùng với tốc độ đô thị hóa nhanh chóng, sự gia tăng của các công trình nhà ở cao tầng và bất động sản thương mại đã thúc đẩy người tiêu dùng nâng cao tiêu chuẩn về chất lượng không gian sống. Đồ nội thất gia dụng hiện đại không chỉ đòi hỏi đáp ứng công năng sử dụng thuần túy mà còn phải thỏa mãn yêu cầu về thẩm mỹ, độ bền cơ học và các tiêu chuẩn công thái học nhằm hỗ trợ sức khỏe thể chất lâu dài của người sử dụng.

Trong cấu trúc không gian nhà ở, phòng khách đóng vai trò là không gian trung tâm, phục vụ nhu cầu sinh hoạt chung của gia đình và tiếp đón khách. Sản phẩm tủ trang trí phòng khách đảm nhận hai chức năng song song: lưu trữ đồ dùng, trưng bày kỷ vật và đóng vai trò điểm nhấn thẩm mỹ cho tổng thể kiến trúc nội thất. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Nghề Gỗ và Nội thất với đề tài "Thiết kế, chế tạo tủ trang trí phòng khách" đã được thực hiện nhằm nghiên cứu toàn diện từ khâu khảo sát, lên ý tưởng, tính toán vật tư, kiểm nghiệm kết cấu đến chế tạo thực nghiệm sản phẩm hoàn chỉnh.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể như sau:

  1. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh sản phẩm tủ trang trí phòng khách đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ, kết cấu cơ học vững chắc và tối ưu hóa chi phí sản xuất.
  2. Khảo sát nguyên vật liệu chế biến gỗ, máy móc thiết bị hiện có tại xưởng kỹ nghệ gỗ và các mẫu tủ trang trí tương tự trên thị trường.
  3. Lựa chọn phương án thiết kế, xây dựng mô hình không gian 3D trên phần mềm Autodesk Inventor và kiểm tra va chạm động học.
  4. Triển khai toàn bộ hồ sơ bản vẽ kỹ thuật chi tiết của từng cụm cấu kiện (mặt bàn, hông tủ, ván hậu, cửa tủ, hộc kéo dọc, hộc kéo ngang, thanh giằng, ván ngăn).
  5. Tính toán định mức tiêu hao nguyên vật liệu sơ chế, tinh chế và lập bảng chi phí gia công sản phẩm.
  6. Thiết lập lưu trình công nghệ và thực hiện gia công, chế tạo, lắp ráp và hoàn thiện sản phẩm thực tế tại xưởng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu kỹ thuật, quy trình công nghệ thiết kế và chế tạo sản phẩm tủ trang trí phòng khách dạng hộp nhiều ngăn kéo kết hợp cửa mở.
  • Phạm vi không gian: Thực hiện tại Xưởng Kỹ nghệ Gỗ, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được triển khai thực hiện từ ngày 23/04/2024 đến ngày 12/06/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn kỹ thuật

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống nguyên lý thiết kế đồ gỗ chuyên ngành, bao gồm:

  • Tiêu chuẩn kích thước và an toàn: Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 5373:2020 về đồ gỗ nội thất, kết hợp các dữ liệu nhân trắc học (Ergonomics) để xác định kích thước sản phẩm phù hợp tầm vóc và thói quen sử dụng của người Việt Nam.
  • Nguyên lý kết cấu mộc: Ứng dụng các quy tắc liên kết truyền thống kết hợp hiện đại, tối ưu hóa mối ghép mộng âm - dương và liên kết chốt định vị, sử dụng keo dán chuyên dụng Titebond nhằm đảm bảo độ bền uốn tĩnh và nén dọc của khung đỡ.
  • Lý thuyết vật liệu gỗ: Dựa trên các thông số cơ lý chuẩn từ Giáo trình Khoa học gỗ, bao gồm độ ẩm sấy tiêu chuẩn (6 - 8%), khối lượng thể tích, ứng suất uốn tĩnh ($\sigma_u$) và ứng suất nén dọc ($\sigma_n$) để tính toán độ bền cấu kiện.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp khảo sát thực địa: Thu thập số liệu thị trường về 4 dòng sản phẩm tủ trang trí tương đồng; khảo sát danh mục vật tư (gỗ tự nhiên, ván công nghiệp MDF, HDF, Plywood, phụ kiện ngũ kim) và năng lực máy móc tại xưởng thực hành.
  • Phương pháp kế thừa: Kế thừa hệ thống giáo trình nhân trắc học, sổ tay thiết kế đồ gỗ và các quy chuẩn bản vẽ sản xuất nội thất.
  • Phương pháp mô hình hóa và phân tích kỹ thuật: Thiết kế tham số 3D, mô phỏng lắp ráp ngũ kim ảo và kiểm tra xung đột kết cấu trên Autodesk Inventor; lập trình đường chạy dao cắt/phay/khoan trên hệ thống máy CNC; phân tích biểu đồ ứng suất nén và ứng suất uốn tĩnh của các chi tiết chịu lực.
  • Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Vận hành trực tiếp các thiết bị chế biến gỗ công nghiệp để gia công chi tiết, hoàn thiện bề mặt và lắp ráp sản phẩm mẫu.

Nguồn dữ liệu

  • Số liệu thống kê xuất nhập khẩu lâm sản năm 2023 từ Tổng cục Hải quan Việt Nam.
  • Cơ sở dữ liệu cơ lý tính gỗ thông và tần bì từ tài liệu kiểm định Khoa học gỗ.
  • Dữ liệu thông số kỹ thuật thực tế của hệ thống máy móc gia công tại Xưởng Kỹ nghệ Gỗ - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh ngành nội thất phục hồi sau đại dịch Covid-19, làm rõ vai trò của tủ trang trí trong không gian phòng khách hiện đại. Tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu là thiết kế, chế tạo sản phẩm đạt kích thước tổng thể $1400 \times 400 \times 850\text{ mm}$, có kết cấu vững chắc và chi phí hợp lý. Chương này cũng phân định rõ đối tượng, phạm vi nghiên cứu tại xưởng trường từ tháng 4/2024 đến tháng 6/2024, phương pháp luận thực hiện (khảo sát, kế thừa, phân tích kỹ thuật) và bố cục gồm 5 chương chính của toàn văn đồ án.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 2 cung cấp bức tranh toàn cảnh về ngành chế biến gỗ Việt Nam cùng các khảo sát kỹ thuật tiền thiết kế:

  • Tình hình ngành gỗ: Ghi nhận kim ngạch xuất khẩu gỗ và sản phẩm gỗ năm 2023 đạt 13,18 tỷ USD, sụt giảm 15,9% so với năm 2022 (mức giảm mạnh nhất trong 15 năm). 5 thị trường chủ lực gồm Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc và EU chiếm 89,1% tổng kim ngạch.
  • Khảo sát vật liệu và phụ liệu: Phân tích đặc tính cơ lý của gỗ tự nhiên (sồi, óc chó, hương, lim, thông, tần bì), các loại ván nhân tạo (ván dăm, MDF, HDF, Plywood), các dòng keo dán (PVA, Epoxy, Polyurethane, keo da, keo tiếp xúc), hệ sơn bảo vệ (sơn dầu, gốc nước, sơn PU, Acrylic, Nitrocellulose) và phụ kiện ngũ kim (tay nắm kim loại, bản lề cánh tủ, ray trượt hộc kéo, nẹp chỉ, bánh xe di động, chốt khóa).
  • Khảo sát máy móc gia công xưởng: Đánh giá năng lực công nghệ của 7 cụm thiết bị gồm máy CNC router 4 đầu, máy cưa bàn trượt, máy cưa rong sơ chế, máy đánh mộng âm, máy đánh mộng dương, máy dán cạnh tự động và máy khoan CNC quét mã barcode.
  • Khảo sát sản phẩm cùng loại: So sánh 4 mẫu tủ trang trí trên thị trường có kích thước dao động từ $400 \times 610 \times 610\text{ mm}$ đến $400 \times 787 \times 1370\text{ mm}$ sử dụng khung gỗ sồi/tần bì kết hợp MDF, từ đó định hình ý tưởng kết hợp đa vật liệu cho sản phẩm mới.
  • Thông số cơ lý vật liệu lựa chọn:
Chỉ tiêu cơ lý Gỗ tần bì (Ash) Gỗ thông (Pine)
Độ ẩm tiêu chuẩn ($W$) $6 - 8%$ $6 - 8%$
Khối lượng thể tích ($\rho$) $673\text{ kg/m}^3$ $603\text{ kg/m}^3$
Độ bền nén dọc ($\sigma_n$) $51,092\text{ MPa}$ $45,02\text{ MPa}$
Độ bền uốn tĩnh ($\sigma_u$) $103\text{ MPa}$ $95\text{ MPa}$
Ưu điểm gia công Chịu va đập cao, vân thớ nổi bật, bám đinh vít tốt Trọng lượng nhẹ, mềm, dễ xẻ rọc, chi phí thấp

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 3 thiết lập các nguyên tắc kỹ thuật định hướng cho quá trình sản xuất sản phẩm mộc:

  • 7 nguyên lý thiết kế đồ gỗ: Tuân thủ kích thước theo TCVN 5373:2020; đảm bảo kết cấu liên kết mộng vững chắc kết hợp keo Titebond; thỏa mãn nguyên tắc chức năng theo không gian sử dụng; đảm bảo nguyên tắc thẩm mỹ; tối ưu nguyên tắc kỹ thuật gia công cơ khí; kiểm soát nguyên tắc kinh tế và tuân thủ nhân trắc học.
  • Phân loại sản phẩm mộc: Phân định đồ gỗ theo không gian (trong nhà, ngoài trời, văn phòng, thương mại, trang trí) và theo chủng loại nguyên liệu (gỗ đặc tự nhiên, ván công nghiệp).
  • Yêu cầu và tiêu chuẩn đánh giá: Xác định 8 nhóm tiêu chuẩn nghiệm thu gồm: chất lượng nguyên liệu gỗ, độ ẩm phôi, độ chính xác gia công cắt gọt, độ bền chịu lực liên kết, độ hoàn thiện màng sơn bề mặt, độ an toàn môi trường (kiểm soát phát thải formaldehyde trong keo/sơn), tiêu chuẩn TCVN/ISO/EN và quy cách bao gói vận chuyển.
  • Phân tích các phương pháp liên kết kết cấu:
Phương pháp liên kết Ưu điểm kỹ thuật Nhược điểm Ứng dụng trong đồ án
Liên kết mộng Khớp nối chịu lực tốt, độ bền cao, tính thẩm mỹ kín khít Yêu cầu độ chính xác gia công cao, tốn thời gian Khung sườn chịu lực chính của tủ
Liên kết keo dán Thao tác đơn giản, tạo liên kết liền mặt Khả năng chịu bóc tách hạn chế nếu dùng đơn lẻ Kết hợp cố định vĩnh cửu các mối mộng
Liên kết vít kim loại Chịu lực kéo/nhổ tốt, có thể tháo lắp Chi phí phụ kiện cao hơn đinh thường Lắp ráp ray trượt, bản lề, phụ kiện cơ khí
Liên kết chốt gỗ Định vị chính xác vị trí lắp ghép giữa các tấm Khả năng chịu lực uốn thấp Định vị các tấm vách ngăn, đố tủ

Chương 4: Thiết kế, tính toán nguyên vật liệu

Chương này triển khai chi tiết phương án kỹ thuật của tủ trang trí:

  • Phương án phối hợp vật liệu: Khung tủ sử dụng gỗ thông nhằm giảm tổng tải trọng sản phẩm; các bề mặt mặt bàn, mặt hộc kéo, cánh cửa sử dụng gỗ tần bì nguyên khối tạo vân thớ cao cấp; các tấm vách bên trong, vách ngăn và ván hậu sử dụng ván dán Plywood nhằm triệt tiêu hiện tượng cong vênh, co ngót và hạ giá thành sản xuất.
  • Hồ sơ bản vẽ kỹ thuật: Thiết kế chi tiết cụm mặt bàn, cụm hông trái/phải, cánh cửa mở, hộc kéo trượt dọc, hộc kéo ngang, hệ thống ván ngăn, ván tầng, đố phụ, đố ngăn, diềm che, thanh giằng liên kết và ván hậu tổng thể.
  • Tính toán định mức nguyên vật liệu: Xây dựng bảng quy cách tinh chế (Bảng 4.1), bảng quy cách phôi sơ chế có dung sai gia công (Bảng 4.2), bảng diện tích ván dán Plywood cần sử dụng (Bảng 4.3) và tổng hợp bảng chi phí nguyên vật liệu, phụ kiện (Bảng 4.4).
  • Kiểm nghiệm cơ học: Tính toán kiểm tra khả năng chịu uốn và chịu nén của kết cấu đỡ thông qua các biểu đồ phân bố ứng suất uốn tĩnh và ứng suất nén dưới tác động của tải trọng đồ vật trưng bày.

Chương 5: Chế tạo sản phẩm

Chương 5 mô tả toàn bộ quá trình công nghệ chế tạo thực tế tại xưởng theo chu trình:

  1. Thiết kế mô hình 3D và mô phỏng lắp ráp phụ kiện ngũ kim (bản lề, ray bi, tay nắm).
  2. Kiểm tra va chạm thể tích và xuất hồ sơ bản vẽ chế tạo 2D.
  3. Lập trình đường cắt, phay biên dạng trên phần mềm CAM cho máy CNC.
  4. Gia công phôi: Cắt phôi bằng cưa bàn trượt, rong phẳng mép gỗ bằng cưa rong, tạo đầu mộng dương bằng máy đánh mộng dương, gia công lỗ mộng âm và khoan định vị bằng máy phay/khoan CNC router.
  5. Cắt ván tấm Plywood bằng máy CNC Router 4 đầu đảm bảo đường cắt sắc nét, không nứt mép.
  6. Lắp ráp thử nghiệm toàn bộ kết cấu khung, cánh tủ và hộc kéo, hiệu chỉnh khe hở làm việc.
  7. Xử lý bề mặt: Bả matit xử lý khuyết tật nhỏ, chà nhám mịn qua các cấp hạt giấy nhám.
  8. Sơn hoàn thiện: Phủ các lớp lót, tạo màu và phun lớp sơn phủ bảo vệ (PU/NC) giữ nguyên vân gỗ tự nhiên.
  9. Kiểm tra kích thước hình học tổng thể ($1400 \times 400 \times 850\text{ mm}$), nghiệm thu chuyển động hộc kéo/cánh mở và hoàn thiện sản phẩm mẫu.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công sản phẩm mẫu thực tế: Tủ trang trí phòng khách hoàn thiện với kích thước thực tế đúng thiết kế $1400 \times 400 \times 850\text{ mm}$, đạt độ chính xác hình học và độ nhẵn bề mặt cao.
  • Xác lập giải pháp kết cấu lai đa vật liệu (Hybrid material): Kết hợp hài hòa 3 loại vật tư gồm gỗ thông làm khung sườn chịu lực (giảm tải trọng kết cấu), gỗ tần bì tạo vân trang trí bề mặt bên ngoài và ván Plywood làm vách ngăn, hậu tủ (ngăn ngừa biến dạng nứt nẻ và tối ưu chi phí).
  • Hoàn thiện bộ hồ sơ công nghệ: Xây dựng trọn bộ bản vẽ triển khai sản xuất, bảng tính định mức phôi sơ chế/tinh chế và thiết lập lưu trình công nghệ gia công kết hợp giữa máy truyền thống (cưa bàn trượt, máy mộng) và thiết bị hiện đại (máy CNC router 4 đầu, máy khoan CNC).
  • Kiểm chứng độ bền: Các kết quả tính toán và biểu đồ phân tích ứng suất cho thấy cấu kiện đáp ứng yêu cầu chịu nén dọc và uốn tĩnh dưới điều kiện tải trọng làm việc tiêu chuẩn trong phòng khách.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Cung cấp một quy trình thiết kế - chế tạo khép kín, có tính khả thi cao để ứng dụng chuyển giao vào sản xuất thử nghiệm quy mô vừa và nhỏ tại các xưởng mộc công nghiệp.
  • Làm tài liệu minh chứng trực quan cho phương pháp kết hợp công nghệ CAD/CAM vào đào tạo thực hành ngành Kỹ nghệ gỗ, giúp tối ưu hóa thời gian gia công và giảm thiểu phế phẩm gỗ tự nhiên.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Nghiên cứu tập trung chế tạo đơn chiếc dạng sản phẩm mẫu (prototype) tại xưởng trường, chưa thực hiện khảo nghiệm độ bền mỏi và khả năng chịu lão hóa của màng sơn theo thời gian dài trong điều kiện khí hậu nóng ẩm thực tế.
  • Việc tính toán chi phí gia công mới dừng lại ở mức chi phí nguyên vật liệu và phụ kiện trực tiếp, chưa lượng hóa đầy đủ chi phí khấu hao máy móc chuyên dụng, điện năng tiêu thụ và nhân công công nghiệp.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng nghiên cứu quy trình công nghệ theo hướng sản xuất module dạng đóng gói phẳng (Flat-pack / DIY), giúp tối ưu hóa không gian lưu kho và chi phí vận chuyển thương mại.
  • Thử nghiệm tích hợp các hệ phụ kiện thông minh (đèn LED cảm ứng âm tủ, ổ cắm điện tích hợp, bản lề nhấn mở không tay nắm) nhằm nâng cao công năng sử dụng cho không gian sống hiện đại.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ nghệ Gỗ, Công nghệ Chế biến Lâm sản và Thiết kế Nội thất: Tham khảo phương pháp xây dựng hồ sơ bản vẽ kỹ thuật mộc, phương pháp tính toán định mức phôi xẻ sơ chế/tinh chế và quy trình ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor trong thiết kế đồ gỗ.
  • Kỹ thuật viên xưởng mộc và xưởng sản xuất nội thất vừa và nhỏ: Ứng dụng lưu trình công nghệ kết hợp máy chế biến gỗ truyền thống (máy đánh mộng, cưa bàn trượt) với máy CNC hiện đại để gia công các dòng tủ kệ dạng panel kết hợp khung gỗ tự nhiên.
  • Nội dung nổi bật đáng tham khảo: Phương pháp phối hợp đa vật liệu (Gỗ thông - Tần bì - Plywood) để hạ giá thành nhưng vẫn đảm bảo độ thẩm mỹ vân gỗ tự nhiên và độ cứng vững cơ học.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước tổng thể và kết cấu chức năng của tủ trang trí được thiết kế như thế nào?
Tủ có kích thước tổng thể là $1400\text{ mm}$ (dài) $\times 400\text{ mm}$ (rộng) $\times 850\text{ mm}$ (cao). Kết cấu chức năng bao gồm mặt bàn trên cùng, cụm cánh cửa mở hai bên, hệ thống hộc kéo trượt ngang và hộc kéo dọc ở giữa, kết hợp hệ thống đố phụ, ván ngăn và ván tầng chia khoang bên trong.

2. Tại sao nhóm tác giả lại phối hợp cùng lúc 3 loại vật liệu (gỗ thông, gỗ tần bì, plywood) trên cùng một sản phẩm?
Sự kết hợp này nhằm tối ưu hóa công năng và chi phí: Gỗ thông có khối lượng thể tích $603\text{ kg/m}^3$, tương đối nhẹ và dẻo dai được dùng làm khung đỡ giúp giảm tổng trọng lượng tủ; Gỗ tần bì có khối lượng thể tích $673\text{ kg/m}^3$, độ bền uốn cao ($103\text{ MPa}$), vân thớ đẹp được ốp ở các mặt nhìn thấy để tăng độ bền và tính thẩm mỹ; Ván dán Plywood được dùng làm ván ngăn, vách hông trong và ván hậu để triệt tiêu biến dạng cong vênh, dễ gia công bằng máy CNC và giảm giá thành nguyên liệu.

3. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng những dòng máy móc chế biến gỗ chính nào tại xưởng trường?
Quy trình chế tạo đã khảo sát và vận hành các thiết bị gồm: Máy cưa bàn trượt, máy cưa rong (sơ chế, xẻ rọc phôi); máy đánh mộng âm, máy đánh mộng dương (tạo mối liên kết mộng khung gỗ); máy CNC Router 4 đầu và máy khoan CNC (cắt ván plywood, phay rãnh, khoan định vị mã barcode); máy dán cạnh tự động và hệ thống phòng phun sơn hoàn thiện bề mặt (PU/NC).

4. Khả năng chịu lực của kết cấu tủ được kiểm nghiệm dựa trên các thông số kỹ thuật nào?
Độ bền của tủ được kiểm nghiệm thông qua bài toán phân tích ứng suất nén và ứng suất uốn tĩnh trên các chi tiết chịu lực chính. Dữ liệu đầu vào dựa trên độ bền nén dọc của gỗ tần bì ($51,092\text{ MPa}$), gỗ thông ($45,02\text{ MPa}$) và độ bền uốn tĩnh của tần bì ($103\text{ MPa}$), thông ($95\text{ MPa}$) ở dải độ ẩm tiêu chuẩn $6 - 8%$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo tủ trang trí phòng khách" của nhóm sinh viên Đoàn Danh Nam, Nguyễn Hoàng Minh Nhật và Đỗ Hữu Phước đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu đề ra theo nhiệm vụ nghiên cứu. Tác phẩm thể hiện phương pháp tiếp cận khoa học, từ khâu khảo sát thị trường, lựa chọn vật liệu lai (gỗ thông, tần bì, plywood) đến việc mô hình hóa 3D trên phần mềm Autodesk Inventor và lập trình gia công CNC. Sản phẩm thực tế chế tạo tại xưởng kỹ nghệ gỗ đảm bảo độ chính xác về kích thước $1400 \times 400 \times 850\text{ mm}$, kết cấu mộng keo vững chắc và đạt giá trị thẩm mỹ cao. Đây là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành công nghệ chế biến gỗ và sản xuất nội thất.