GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Trong thế kỷ XXI, khoa học kỹ thuật đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong ngành công nghiệp vật liệu và tự động hóa sản xuất Các loại vật liệu mới, bao gồm vật liệu nhựa, đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nhờ vào những ưu điểm như nhẹ, bền, và khả năng chống dẫn điện, dẫn nhiệt Vật liệu nhựa có xu hướng thay thế các vật liệu truyền thống như kim loại, gỗ và gốm, giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn tài nguyên đang cạn kiệt do khai thác quá mức.
Việc kiểm tra các thông số kỹ thuật như kéo – nén là rất quan trọng để đánh giá tính chất của vật liệu Hiện nay, nhiều phòng thí nghiệm, trường học, viện nghiên cứu và xưởng sản xuất đang sử dụng thiết bị thử kéo – uốn vật liệu Tuy nhiên, hầu hết các quy trình xử lý số liệu và đánh giá kết quả đo vẫn phải thực hiện thủ công, dẫn đến hiệu suất và độ chính xác không cao Mặc dù trên thị trường có nhiều thiết bị kéo hoặc nén với độ chính xác cao, nhưng giá thành cao do phải nhập khẩu từ nước ngoài đã tạo ra rào cản cho các doanh nghiệp trong nước.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Tạo điều kiện cho người nghiên cứu phát triển kỹ năng và áp dụng kiến thức vào thực tế là rất quan trọng để tạo ra sản phẩm mới, góp phần vào sự phát triển của nền công nghiệp quốc gia Điều này cũng sẽ là cơ sở để cải tiến và phát triển sản phẩm, cũng như ứng dụng trong các lĩnh vực liên quan khác.
Dựa trên các nguyên lý và phương pháp thử nghiệm vật liệu, thiết bị đo lường lực Loadcell cung cấp độ chính xác cao và khả năng kết nối dễ dàng với máy tính, giúp tối ưu hóa quy trình kiểm tra và phân tích dữ liệu.
1 điểu khiển để xây dựng phần mềm xử lý số liệu trên thiết bị thử kéo – uốn vật liệu nhựa
Bằng cách sử dụng tín hiệu điện từ bộ cảm biến lực và dữ liệu độ giãn dài chính xác, chúng ta có thể thu thập kết quả thử nghiệm và thực hiện các phép tính một cách chính xác Phần mềm này cho phép theo dõi toàn bộ quá trình thử nghiệm, với các giá trị đo được truyền về từ máy tính với độ chính xác cao Nó cũng hỗ trợ việc quan sát và phân tích các giai đoạn biến dạng của vật liệu thông qua biểu đồ, giúp đánh giá chất lượng vật liệu một cách hệ thống và chi tiết.
Thiết bị thử kéo – uốn vật liệu đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá cơ tính của vật liệu, đặc biệt là độ giãn dài Nghiên cứu này nhằm nâng cao độ chính xác trong thử nghiệm cơ tính, đồng thời đơn giản hóa quá trình xử lý số liệu, tiết kiệm thời gian và chi phí nâng cấp, góp phần nâng cao hiệu suất sản xuất.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu của nghiên cứu này là khám phá khái niệm độ giãn dài của vật liệu nhựa và đưa ra kết luận về chất lượng sản phẩm Bài viết sẽ tìm hiểu các phương pháp kéo và uốn vật liệu nhựa, đồng thời xem xét một số thiết bị thử kéo hoặc uốn hiện có trên thị trường cùng với nguyên lý hoạt động của chúng.
Thiết kế mô hình 3D bằng phần mềm CREO 3.0
Hoàn chỉnh thiết kế cho thiết bị thử kéo – uốn
Gia công, lắp ráp và chạy thử thiết bị.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu khái niệm độ giãn dài của vật liệu nhựa trong môi trường có sự thay đổi nhiệt độ, đồng thời khảo sát các thiết bị đo và thiết bị kết nối với máy tính.
Phân tích dữ liệu, lọc các dữ liệu nhận được Từ đó viết chương trình xử lý số liệu và giao diện tương tác với người dùng
Nghiên cứu, thiết kế, tính toán và chế tạo thiết bị thử kéo – uốn vật liệu nhựa trong phạm vi phòng thí nghiệm với thiết bị gia nhiệt
Sử dụng phần mềm cơ khí CREO 3.0 trong thiết kế để lắp ráp và thử nghiệm chuyển động thô của thiết bị
Sử dụng phần mềm KeilCđể lập trình cho chip điều khiển STM32F103RCT6
Sử dụng phần mềm Visual Studio 2013 để lập trình giao diện tương tác với người sử dụng thông qua máy tính
1.5 Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp thực nghiệm để tìm ra kết quả
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của các cơ cấu chuyển động và tính toán lực kéo, lực tác động là rất quan trọng trong việc thiết kế và chế tạo thiết bị thử kéo và uốn vật liệu nhựa Việc hiểu rõ các nguyên lý này giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả của thiết bị Bên cạnh đó, khả năng lập trình kết nối với máy tính và xử lý số liệu cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao tính năng của thiết bị thử nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
Thực nghiệm độ bền của thiết bị thử kéo – uốn vật liệu nhựa là cơ sở quan trọng để tính toán lực và thiết kế chế tạo các chi tiết của thiết bị Việc sử dụng thiết bị giao tiếp với máy tính giúp trao đổi dữ liệu hiệu quả với các thiết bị liên quan.
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Giới thiệu về tầm quan trọng của vật liệu nhựa
Vật liệu nhựa đã được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới công nhận và áp dụng rộng rãi nhờ vào lịch sử phát triển phong phú Hiện nay, vật liệu này được sử dụng để chế tạo các chi tiết và linh kiện bảo vệ bảng mạch trong ôtô, nhờ vào những ưu điểm như giảm trọng lượng, tiết kiệm nguyên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm rung và tiếng ồn, cũng như tiết kiệm không gian cho máy móc Trong ngành hàng không vũ trụ, vật liệu nhựa được sử dụng để cách điện, chống thấm nước và bảo vệ linh kiện điện tử Ngoài ra, trong ngành công nghiệp điện tử, nó còn được dùng để sản xuất các chi tiết chân đế cho bảng mạch Vật liệu này cũng được ứng dụng trong ngành công nghiệp đóng tàu, y tế, và nhiều lĩnh vực dân dụng khác.
Vật liệu nhựa hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành nghề và lĩnh vực kinh tế tại Việt Nam, với sản lượng tiêu thụ khoảng 5.000 tấn mỗi năm Các ứng dụng của nhựa bao gồm thiết bị giáo dục, bàn ghế, giải phân cách giao thông, bảo vệ hệ thống điều khiển tàu xuồng, ghế ngồi, thùng rác công cộng, và hộp giảm sốc cho thiết bị quan trọng Đặc biệt, nhựa cũng được sử dụng trong lĩnh vực điện dân dụng, bao gồm hộp công tơ điện, sào cách điện, và sứ cách điện.
Tầm quan trọng của vật liệu nhựa:
-Giao thông vận tải: bảo vệ cho các board mạch của ô tô, xe lửa khỏi các tác động có hại như rò rỉ nước, nhiên liệu, điện…
-Hàng hải: Làm các chi tiết cách điện cho thuyền, tàu, xuồng cao tốc…
-Hàng không: thay thế vật liệu sắt, nhôm để làm tay nắm cửa trong máy bay dân dụng, quân sự
Quốc phòng đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ và điều khiển các phương tiện chiến đấu như tàu chiến, xuồng cao tốc, máy bay và xe tăng Các thiết bị và dụng cụ phục vụ cho nghiên cứu và sản xuất trong quân đội bao gồm bồn chứa nước hoặc hóa chất, khay trồng rau và bia tập bắn, góp phần nâng cao khả năng sẵn sàng chiến đấu và đảm bảo an ninh quốc gia.
-Công nghiệp hóa chất: Bồn chứa dung dịch acid (thay gelcoat bằng epoxy hoặc nhựa vinyleste) Bồn chứa dung dịch kiềm (thay gelcoat bằng epoxy)
Sản phẩm trong sơn mài: bình, tô, chén, đũa
Sản phẩm trang trí nội thất: khung hình, phù điêu, nẹp hình, vách ngăn
Bàn ghế, tủ giả đá, khay, thùng, bồn…
Hình 2.1: Các sản phẩm làm từ nhựa
Vật liệu nhựa nổi bật với khả năng chế tạo các sản phẩm đa dạng theo yêu cầu kỹ thuật, với các thành phần cốt lõi có độ cứng và độ bền cơ học cao Vật liệu nền đảm bảo sự liên kết hài hòa, tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.
Polyme là vật liệu có nhiều ưu điểm vượt trội, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Với tính chất nhẹ, bền cao và khả năng chịu đựng môi trường tốt, polyme dễ dàng lắp đặt và có độ bền riêng cao Các đặc tính nổi bật của nó bao gồm đàn hồi cao, khả năng chống ăn mòn hóa học, cùng với độ dẫn nhiệt và dẫn điện thấp Việc chế tạo polyme ở nhiệt độ và áp suất nhất định giúp triển khai các công nghệ sản xuất một cách thuận lợi.
Việc tính toán và đo độ bền kéo – uốn của vật liệu nhựa rất quan trọng để chế tạo sản phẩm phục vụ nhu cầu và các ngành công nghiệp khác nhau Do đó, nhiều thiết bị đã được phát triển để đáp ứng yêu cầu thực tiễn này.
2.2 Sơ lƣợc về thiêt bị kéo –uốn vật liệu nhựa gia nhiệt
Thiết bị thử kéo và uốn là công cụ thí nghiệm quan trọng dùng để kiểm tra độ giãn dài của vật liệu nhựa Qua đó, thiết bị này cung cấp kết quả đánh giá độ bền của nhựa, giúp lựa chọn vật liệu phù hợp với yêu cầu sản xuất.
Thử kéo bằng cách sử dụng 1 đầu kẹp cố định và đầu kẹp di động tác dụng lực kéo cho đến khi vật liệu bị phá hủy
Thử uốn bằng cách sử dụng nguyên tắc 3 điểm, sử dụng một lực vừa đủ uốn cong vật liệu cho đến khi gãy
2.3 Lợi ích của việc thử kéo-uốn vật liệu nhựa gia nhiệt
Là thiết bị dùng để kiểm tra tính chất và chất lƣợng của sản phẩm nhựa sau khi thành hình
Các tính chất đƣợc xác định từ thí nghiệm kéo hoặc uốn:
Thí nghiệm kéo Thí nghiệm uốn
Tính biến dạng đàn hồi
Đặc điểm biến dạng dẻo tại điểm kéo
Độ giãn dài cho phép trước khi bị phá huỷ
Tính biến dạng đàn hồi
Đặc điểm căng cứng tại điểm uốn
Giới hạn uốn cuối cùng
2.4 Tình hình sử dụng thiết bị thử kéo –uốn trên thế giới và ở Việt Nam
Hiện nay, nhựa đang trở thành vật liệu phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực xây dựng và trang trí nội thất, với đa dạng chủng loại đáp ứng nhu cầu sử dụng.
2.4.1 Tình hình sử dụng thiết bị thử kéo-uốn trên thế giới
Hiện nay, thiết bị thử kéo và uốn rất phong phú, từ các phương pháp thủ công đến sử dụng động cơ, cho phép thử nghiệm các mẫu với kích thước khác nhau Những thiết bị này đảm bảo độ chính xác cao và năng suất tối ưu trong quá trình kiểm tra.
Một số loại thiết bị đang đƣợc sử dụng để kiểm tra độ giãn dài kéo
Thiết bị kiểm tra kéo – trượt vạn năng bằng động cơ thuỷ lực điều khiển bằng máy tính HT-2101
Hình 2.2: Thiết bị kiểm tra kéo – trƣợt vạn năng bằng động cơ thuỷ lực điều khiển bằng máy tính HT-2101
Thiết bị kéo vạn năng Instron 3300 của Mỹ
Hình 2.3: Thiết bị kéo vạn năng của Mỹ Instron 3300
Thiết bị thử uốn nhựa 3 điểm ASRM D790
Hình 2.4: Thiết bị thử uốn nhựa 3 điểm ASTM D790
Thiết bị thử uốn nhựa ASTM C880
Hình 2.5: Thiết bị thử uốn nhựa ASTM C880
2.4.2 Tình hình thiết bị thử kéo và uốn ở Việt Nam
Các thiết bị thí nghiệm vạn năng yêu cầu độ chính xác cao và tính ổn định trong quá trình sử dụng, cho phép thực hiện nhiều loại thí nghiệm trên các vật liệu khác nhau Việc chế tạo những thiết bị này đòi hỏi tay nghề gia công cơ khí, thiết kế và lắp ráp mạch xử lý tín hiệu điện tử Ngoài ra, người thiết kế cần có kinh nghiệm dày dạn trong lĩnh vực thí nghiệm và hiểu biết sâu sắc về các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan.
Tại Việt Nam, hầu hết thiết bị thí nghiệm đều được nhập khẩu, chủ yếu từ Trung Quốc với các sản phẩm giá rẻ và tính năng hạn chế Trong khi đó, các thiết bị thí nghiệm chất lượng cao thường được nhập khẩu từ các nước tiên tiến và có giá thành rất cao.
Hiện nay, Việt Nam đã chế tạo thành công thiết bị thí nghiệm vạn năng cấp tải 100 tấn, sử dụng gia tải bằng thủy lực và có hệ thống điều khiển, đo lường điện tử Dự án này được thực hiện với sự hợp tác của nhóm nghiên cứu và phát triển, công ty TNHH Kỹ Thuật BKSG cùng ba cơ sở chế tạo cơ khí chính xác.
9 án được hỗ trợ tài chính từ BM Vật liệu Xây dựng, Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM
Hiện nay, thiết bị thử uốn chưa được sản xuất sẵn tại Việt Nam, do đó, việc nghiên cứu và phát triển một thiết bị đáp ứng yêu cầu này là vô cùng cần thiết Điều này chứng tỏ tính thực tiễn và khả thi của đề tài.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, PHÁC THẢO Ý TƯỞNG VÀ THỰC HIỆN
3.1 Quy trình thiết kế và phát thảo ý tưởng
Thiết kế đóng vai trò quan trọng trong quá trình chế tạo, giúp hình thành ý tưởng và xác định vị trí tương quan giữa các chi tiết Qua bản thiết kế, chúng ta có thể đánh giá tính hợp lý và khả thi của toàn bộ dự án.
Quy trình thiết kế phần cơ khí thiết bị thử uốn – kéo nhựa gia nhiệt được tiến hành nhƣ sau:
Quy trình thiết kế máy bắt đầu bằng việc phác thảo các ý tưởng trên giấy, không cần chú trọng đến kích thước chính xác Mục tiêu chính là thể hiện vị trí tương quan giữa các chi tiết và cụm chi tiết trong toàn bộ máy.