Nghiên cứu thiết kế và chế tạo tay máy gia nhiệt cho khuôn ép nhựa trong qui trình chế tạo thiết bị y sinh lab on chip loc

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ
SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO NGHIỆM THU ĐỀ TÀI
***
CHƢƠNG TRÌNH CHẾ TẠO ROBOT CƠNG NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TAY MÁY
GIA NHIỆT CHO KHUÔN ÉP NHỰA TRONG QUI TRÌNH
CHẾ TẠO THIẾT BỊ Y SINH “LAB on CHIP – LOC”

Chủ nhiệm đề tài:

PGS. TS. ĐỖ THÀNH TRUNG

Đồng chủ nhiệm:

TS. PHẠM SƠN MINH

Đơn vị chủ trì:

Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Đơn vị quản lý:

Sở Khoa học và Cơng nghệ Tp.HCM

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2016

MỤC LỤC
TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................ 3
SUMMARY OF RESEARCH CONTENT ............................................................ 4
I. THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI ................................................................... 5
1. Tên đề tài ........................................................................................................... 5
2. Thời gian thực hiện .......................................................................................... 5
3. Cấp quản lý ....................................................................................................... 5
4. Thuộc Chương trình ........................................................................................ 5
5. Tổng vốn thực hiện đề tài: ............................................................................... 5
6. Chủ nhiệm đề tài............................................................................................... 5
7. Đơn vị chủ trì thực hiện đề tài ........................................................................ 6
8. Các thành viên tham gia thực hiện đề tài: ..................................................... 7
9. Tóm tắt Các nội dung theo đăng ký ban đầu của đề tài ............................... 8
1. Nội dung 1: Nghiên cứu công nghệ gia nhiệt trong khuôn phun ép micro ... 21
1.1. Tổng quan về cơng nghệ khn ép phun kích thước micro ..................... 22
1.2. Phương án thực hiện tay máy ................................................................... 30
1.3. Mục tiêu đề tài.......................................................................................... 33
2. Nội dung 2: Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm ảnh hưởng các thông số đến
hiệu quả của phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng.................................... 36
2.1. Thiết kế tay máy 1 bậc tự do .................................................................... 37
2.2. Khối gia nhiệt ........................................................................................... 38
2.3. Mạch điều khiển ....................................................................................... 43
2.4. Thử nghiệm quá trình gia nhiệt bằng tay máy 1 bậc tự do ...................... 47
3. Nội dung 3, 4 và 6: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ gia nhiệt dùng cho
tay máy với 1 và 4 cổng phun ..................................................................... 61
3.1. Thiết kế tấm gia nhiệt cho khí.................................................................. 62
3.1.1. Thiết kế bộ gia nhiệt loại 1 vòi phun ................................................. 64
3.1.2. Thiết kế bộ gia nhiệt loại 4 vòi phun ................................................. 66

3.2. Chế tạo tấm gia nhiệt cho khí .................................................................. 67
3.2.1. Quy trình cơng nghệ gia cơng tấm trên của tấm 1 cổng phun ........... 67
3.2.2. Quy trình cơng nghệ gia công tấm dưới của tấm 1 cổng phun ......... 70
3.2.3. Quy trình cơng nghệ gia cơng tấm dưới của tấm 4 cổng phun ......... 74
3.2.4. Quy trình cơng nghệ gia công tấm trên của tấm 4 cổng phun ........... 75
3.2.5. Quy trình cơng nghệ gia cơng tấm trung gian của tấm 4 cổng phun 78
4. Nội dung 5, 7, 8, 9 và 10: Tính tốn, thiết kế, chế tạo hệ thống truyền động
cho tay máy ................................................................................................. 81
4.1. Tính tốn thiết kế tay máy gia nhiệt 3 bậc tự do ...................................... 82
4.1.1. Tính tốn cụm trục Z ......................................................................... 82
1


4.1.2. Tính tốn chọn đai rang trục Z .......................................................... 90
4.1.3 Tính tốn ray dẫn hướng trục Z .......................................................... 94
4.1.4. Thiết kế, chế tạo khung gắn bộ gia nhiệt cho khí trên tay máy ......... 98
4.1.5. Kết quả thiết kế trục Z .................................................................... 104
4.2. Tính tốn cụm trục X ............................................................................. 104
4.3. Tính tốn cụm trục Y ............................................................................. 121
4.4. Kết quả thiết kế tay máy gia nhiệt 3 bậc tự do ...................................... 138
4.5. Kiểm nghiệm bền một số cơ cấu............................................................ 139
4.6. Chế tạo tay máy 3 bậc tự do................................................................... 145
4.6.1. Chế tạo và lắp ráp cụm trục Y ......................................................... 145
4.6.2. Chế tạo và lắp ráp cụm trục X ....................................................... 150
4.6.3. Chế tạo và lắp ráp cụm trục Z ......................................................... 157
4.7. Hình ảnh sản phẩm lắp ráp tay máy gia nhiệt 3 bậc tự do ..................... 159
5. Nội dung 11: Tính tốn, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển tay máy... 166
5.1. Giới thiệu ............................................................................................... 167
5.2. Hệ thống điều khiển trung tâm............................................................... 168
5.3. Hệ thống lái động cơ (các driver) .......................................................... 175

5.4. Hệ thống điều khiển cầm tay (teach pendant)........................................ 180
5.5. Lưu đồ điều khiển .................................................................................. 184
5.5. Hệ thống đóng mở dịng khí nóng ......................................................... 193
6. Nội dung 12 , 13 và 14: Thiết kế, chế tạo khuôn micro chip LoC ............... 194
6.1. Thiết kế sản phẩm .................................................................................. 195
6.2. Tách khuôn ............................................................................................. 196
6.3. Thiết kế hồn chỉnh tấm khn âm với kết cấu insert cho lịng khn
được gia nhiệt bằng khí ................................................................................. 199
6.4. Thiết kế hồn chỉnh khn cố định ........................................................ 200
6.5. Gia công khuôn ...................................................................................... 201
7. Nội dung 15 và 16: Thực nghiệm và phân tích kết quả ............................... 225
7.1. Mơ tả thí nghiệm .................................................................................... 226
7.2 Kết quả kiểm nghiệm .............................................................................. 227
III. TỰ NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC TRONG KỲ
ĐẾN BÁO CÁO SO VỚI VỚI HỢP ĐỒNG VÀ THUYẾT MINH BAN
ĐẦU ............................................................................................................... 240
IV. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG KINH PHÍ TÍNH ĐẾN NGÀY BÁO CÁO ..... 241
V. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ VỀ KINH TẾ, XÃ HỘI CỦA ĐỀ TÀI, ĐẶC
BIỆT NHẤN MẠNH PHẦN NỘI DUNG VÀ KINH PHÍ NGÂN SÁCH
HỖ TRỢ ........................................................................................................ 242
VI. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 245

2


TĨM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Qua q trình nghiên cứu, đề tài “Nghiên Cứu Thiết Kế và Chế Tạo Tay
Máy Gia Nhiệt Cho Khn Ép Nhựa Trong Qui Trình Chế Tạo Thiết Bị Y Sinh
LAB on CHIP – LOC” đã tiến hành nghiên cứu thiết kế và chế tạo tay máy gia
nhiệt bằng khí nóng cho khn phun ép nhựa. Ngoài ra, nhằm kiểm định khả năng

hoạt động của tay máy, bộ khuôn phun ép sản phẩm Chip LoC cũng được tiến hành
thiết kế và chế tạo. Với hệ thống gia nhiệt được tiến hành thiết kế và chế tạo, cánh
tay gia nhiệt cho phép di chuyển khối gia nhiệt với tốc độ cao khi đưa vào và rút ra
khỏi khơng gian ép. Ngồi ra, thiết bị cũng cho phép gia nhiệt tại nhiều vị trí khác
nhau, hoặc gia nhiệt tuần tự trên một vùng nhất định.
Qua đề tài nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu sử dụng cánh tay máy đã chứng
minh khả năng tăng hiệu suất gia nhiệt cho khn bằng cách tự động hóa và tối ưu
hóa qng di chuyển của thiết bị gia nhiệt. Nhóm cũng từng bước thử nghiệm hiệu
quả gia nhiệt bằng việc điều khiển cánh tay máy chuyển động theo lần lượt 1, 2
đến 3 bậc tự do. Trên cơ sở đó, nhóm cũng đã đưa ra đánh giá hiệu quả của việc
tạo ra những quỹ đạo di chuyển khác nhau của thiết bị gia nhiệt dựa theo các hình
dạng khn khác nhau.
Q trình thử nghiệm ban đầu cho thấy tay máy có khả năng gia nhiệt cho
lịng khn từ 35 0C đến 150 0C trong thời gian 15 s ứng với tốc độ gia nhiệt 7.66
0

C/s. Bộ khuôn phun ép chip LoC bằng vật liệu nhựa PC được chế tạo với 2 lịng

khn. Kết quả thực nghiệm cho thấy quá trình phun ép có hỗ trợ gia nhiệt bằng
khí nóng cho ra các sản phẩm đạt yêu cầu về kích thước, cải thiện được nhiều
khuyết tật trước đó.

3


SUMMARY OF RESEARCH CONTENT
Base on the researching with the topic of “Design and manufacture the air
heating robot for injection mold of biomedical devide - LAB on CHIP – LoC”, the
researchers designed and manufactured the air heating robot for injection molding.
In addition, for observing the ability of robot, the injection mold of chip LoC was

designed and built. With the air heating system was designed, the robotic arm can
move the heating system with a high speed in the heating step. On the other way,
this system can also heat cavity mold with many positions at the same time, or step
by step.
According to this research, the heating efficiency of air heating robot was
proved by the automatic and optimization the motion of heating block. The heating
efficiency also tested by 1, 2, and 3 axes. Base on these results, the moving method
was also concluded that based on the mold geometries.
The experimental results showed that the mold temperature could increase
from 35 0C to 150 0C with the heating time of 15 s, so, the heating rate was about
7.66 0C/s. The mold of LoC chip with the PC material was built with two cavities.
The testing results showed that the injection molding process with the air heating
could product the chip with dimensions satifying the requirements. In addition, this
process could improve many troubles in the common process.

4


I. THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
Tên đề tài

1.

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TAY MÁY GIA NHIỆT
CHO KHUÔN ÉP NHỰA TRONG QUI TRÌNH CHẾ TẠO THIẾT BỊ
Y SINH “LAB on CHIP – LOC”
Thời gian thực hiện

2.

18 tháng
(Từ 06/2015 đến 12/2016)
Cấp quản lý

3.

Thành phố

Cơ sở

Thuộc Chương trình

4.

Chương trình Chế tạo Robot Công nghiệp
Tổng vốn thực hiện đề tài:

5.

1.706.000.000 đồng
(Một tỉ bảy trăm lẻ sáu triệu đồng)
Trong đó:
Nguồn

Kinh phí (triệu đồng)

- Từ Ngân sách sự nghiệp khoa học:

1.150

- Đơn vị chủ trì (tự có, huy động, khác…):

6.
6.1.

Chủ nhiệm đề tài
Chủ nhiệm: PGS. TS. Đỗ Thành Trung
- Năm sinh: 22/11/1977
- Học vị: Tiến Sỹ
- Chức danh khoa học: Phó Giáo Sư
- Chức vụ: Phó Trưởng phịng Khoa học và Cơng nghệ

5

556


- Địa chỉ cơ quan cơng tác: Phịng Khoa học và Công nghệ, Trường Đại
học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh – Số 01, Võ Văn Ngân, Quận
Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh.
- Điện thoại : 0989881588
- Email
6.2.

:

Đồng chủ nhiệm: TS. Phạm Sơn Minh
- Năm sinh: 22/11/1982
- Học vị: Tiến Sỹ
- Chức danh khoa học:

- Chức vụ: Trưởng ngành Cơ khí Chế tạo máy và CNKT Cơ khí
- Địa chỉ cơ quan cơng tác: Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại
học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh - 01Võ Văn Ngân, Quận Thủ
Đức, Thành phố Hồ Chí Minh.
- Điện thoại : 0938226313
- Email

6.3.

:

Thư ký đề tài: ThS. Trần Minh Thế Uyên
- Năm sinh: 1981
- Học vị: Thạc Sỹ
- Chức danh khoa học:
- Chức vụ: Giảng viên Khoa Cơ khí Chế tạo máy
- Địa chỉ cơ quan cơng tác: Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học
Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh - 01Võ Văn Ngân, Quận Thủ Đức,
Thành phố Hồ Chí Minh.
- Điện thoại : 0993178491
- Email

7.

:

Đơn vị chủ trì thực hiện đề tài

Tên đơn vị chủ trì đề tài : Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí
Minh

Họ và tên thủ trưởng đơn vị : PGS. TS. Đỗ Văn Dũng
Điện thoại: 08. 3896 8641

Fax: 08. 3896 4922
6


E-mail :
Website : www.hcmute.edu.vn
Địa chỉ: Số 01, Võ Văn Ngân, Quận Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh
Số tài khoản: 3713.0.1055501.00000
Tại Kho bạc Kho bạc nhà nước Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh.
Mã quan hệ ngân sách: 1055501; Mã số thuế: 0302721706
Tên cơ quan quản lý đề tài: Sở Khoa học và Công nghệ TP. HCM
8.

Các thành viên tham gia thực hiện đề tài:
Thời gian
Đơn vị

Họ và tên

STT

công tác

Nội dung

làm việc

công việc

cho đề tài

tham gia

(Số tháng
quy đổi1)

1

PGS. TS. Đỗ Thành Trung

2

TS. Phạm Sơn Minh

3

PGS.TS. Nguyễn Trường

ĐH SPKT TP.

1, 2, 3, 4, 5,

HCM

6,7, 8, 9

ĐH SPKT TP. 10, 11, 12, 13,

HCM

ĐH SPKT TP. 2, 3, 4, 15, 16,

Thịnh

4

PGS.TS. Đặng Thành Trung

5

ThS. Lê Tấn Cường

6

ThS. Trần Minh Thế Uyên

14, 15, 16, 17

HCM
ĐH SPKT TP.
HCM
ĐH SPKT TP.
HCM
ĐH SPKT TP.
HCM

17

14

13

8

10, 11, 12, 13

8

15, 16

3

2, 3, 4, 5

5

14, 15, 16

4

Cao đẳng
7

ThS. Phan Thế Nhân

nghề Kỹ thuật
Công nghệ

1

Một (01) tháng quy đổi là tháng gồm 22 ngày làm việc x 8 tiếng

7


TP. HCM
8

ThS. Huỳnh Đỗ Song Toàn

9

ThS. Nguyễn Văn Sơn

ĐH SPKT TP.

8, 11, 12, 13,

HCM

14

ĐH SPKT TP.
HCM

9

12, 13

5

3, 4

2

TNHH Kỹ
ThS. Hồ Ngọc Thế Quang

10

Thuật Đồng
Thuận Phát

Tóm tắt Các nội dung theo đăng ký ban đầu của đề tài

9.

9.1.

Các nội dung đăng ký ban đầu theo Thuyết minh và hợp đồng
DANH MỤC SẢN PHẨM KH-CN DẠNG KẾT QUẢ III, IV

TT

Tên tài liệu

Số lượng

1

Bài báo đăng trên kỷ yếu hội nghị
trong nước hoặc tạp chí chun
ngành có tính điểm GS/PGS

02

2

Tập bản vẽ thiết kế khuôn

Ghi chú

01

Bản vẽ thiết kế chi tiết
2D và 3D.

3

Tập bản vẽ tay máy gia nhiệt

01

Bản vẽ thiết kế chi tiết
2D và 3D.

4

Đào tạo học viên Cao học

02

HVCH tại trường ĐH
SPKT TP. HCM

5

Đăng ký giải pháp hữu ích

01

8


DANH MỤC SẢN PHẨM KH-CN DẠNG KẾT QUẢ I, II
TT

Tên sản
phẩm

Số
lượng

Chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật/thông số kỹ thuật
 Độ chính xác lặp lại vị trí: 5 mm
 Tốc độ nội suy phương X , Y, Z: 0.25 m/s
 Tốc độ di chuyển nhanh theo phương Z: 0.75
m/s

 Không gian làm việc: 500 mm x 500 mm x 500
mm
 Khả năng tải của cánh tay máy: < 10 kg
 Trọng lượng của tay máy: < 500 kg
 Kích thước bao của tay máy: < 2 m x 2 m x 2 m
 Số bậc tự do: 3
 Nhiệt độ nguồn gia nhiệt cho khí có thể thay đổi
từ 200 0C đến 400 0C

1

Tay máy
gia nhiệt
01
cho
khn

 Nhiệt độ khí nóng phun vào bề mặt khuôn với
áp suất đầu vào 7 MPa thay đổi từ 100 0C đến
300 0C
 Có khả năng cấp nguồn khí nóng liên tục trong
thời gian 20 s
 Tổng trong lượng của module gia nhiệt: <10 kg
 Có khả năng tích hợp với dịng máy ép phun
Shine Well SW120B
 Tay máy nhận biết trạng thái của khuôn thông
qua hệ thống các cảm biến
 Có khả năng điều khiển, xác định vị trí và nội
suy vị trí các vùng gia nhiệt khác nhau.
 Robot có 2 trạng thái điều khiển: Tự động và vận

hành bằng tay thông qua thiết bị giao tiếp (teach
pendant)
 Thời gian 1 chu kỳ gia nhiệt: 20s (gồm: thời gian
tay máy vào vị trí gia nhiệt, gia nhiệt, và đưa
module gia nhiệt ra khỏi khu vực khn)
 Chương trình điều khiển lưu trong bộ nhớ của
PLC (nếu dùng PLC điều khiển) hoặc RAM (nếu
9

Ghi
chú


dùng vi xử lý điều khiển)
 Đồng bộ chương trình dựa vào các tín hiệu
sensor trên khn (khơng đồng bộ chương trình
của máy ép nhằm đa dạng cho nhiêu máy ép
khác nhau)
 Số lịng khn: 02
 Thời gian chu kỳ: <30 s (2 sản phẩm/ phút)

2

Bộ
khn
dùng cho
q trình
thử
01
nghiệm

và sản
xuất chip
y sinh

 Kích thước khn: nhỏ hơn 350 mm x 350 mm x
350 mm
 Kích thước micro của sản phẩm đạt độ chính xác
> 90 %
 Độ chính xác các kích thước của chip TFI theo
yêu cầu bản vẽ
 Có thể gia nhiệt cục bộ cho lịng khn với tốc
độ gia nhiệt > 5 0C/s
 Có sử dụng cho qui trình ép phun có hỗ trợ gia
nhiệt cho lịng khn
 Vật liệu nhựa: Polycarbonat (PC)
 Có sử dụng hệ thống giải nhiệt bằng nước
 Các rãnh có kích thước dạng micro (0.5mm x
0.2mm x 0.1mm)
 Đường kính bao của chip y sinh: 50mm x 25mm

3

Chip TFI 01 loại  Chiều dày tấm: 2 mm
 Vật liệu: PC
 Chi tiết về các kích thước được trình bày như
Phụ lục đính kèm trong thuyết minh

10

9.2. Sản phẩm đề tài (ghi rõ các thông số kỹ thuật, chỉ tiêu chất lượng,
giá dự kiến theo đăng ký ban đầu, có bảng đánh giá kết quả thử nghiệm sản
phẩm và so sánh với một số sản phẩm khác đã có)
SẢN PHẨM GIAO NỘP
(Trong thời hạn 30 ngày kể từ ngày đề tài được nghiệm thu, nhóm nghiên cứu
sẽ giao nộp cho cơ quan quản lý)

TT

Tên sản phẩm giao nộp

Số
lượng

1

Báo cáo kết quả nghiên cứu

03 bộ

2

Báo cáo tóm tắt và kiến nghị

03 bản

3

Bản tóm tắt bằng tiếng Việt và tiếng Anh về kết quả cơng
trình (tối đa 01 trang A4, cả bản in và bản dạng file)

03 bản

4

CD-ROM lưu toàn bộ kết quả nghiên cứu của đề tài

03 đĩa

5

Bảng qút tốn kinh phí đề tài

03 bản

11


SẢN PHẨM KH-CN DẠNG KẾT QUẢ III, IV
TT

Tên tài liệu

Số lượng

Ghi chú
 Đăng trên Kỷ yếu Hội nghị Khoa học và cơng
nghệ tồn quốc về Cơ khí” lần thứ IV, 06-112015
Phạm Sơn Minh, Đỗ Thành Trung, Trần Minh
Thế Uyên, Phan Thế Nhân, “Ảnh hưởng của

chiều dày sản phẩm và nhiệt độ khuôn đến độ
cong vênh của sản phẩm nhựa Polypropylene
dạng tấm”
 Đăng trên Tạp chí Khoa học Cơng nghệ các
trường Đại học Kỹ thuật, ISSN 2354-1083 (0 – 1
điểm – Hội đồng Chức danh GS/PGS Nhà
nước), số 106B, năm 2015

1

Bài báo đăng
trên kỷ ́u
hội
nghị
trong nước
hoặc tạp chí
chun
ngành có tính
điểm
GS/PGS

02

Nguyen Van Minh, Pham Son Minh, Thanh
Trung Do, “Characteristics of Internal coil
induction heating System for Injection
Molding Temperature Control”
 Đăng trên Tạp chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ
Thuật, ISSN 1859-1272 (0 - 0.5 điểm – Hội
đồng Chức danh GS/PGS Nhà nước), số 32, năm

2015
Phạm Sơn Minh, Đỗ Thành Trung, Lê Tuyên
Giáo, Trần Minh Thế Un, “Nghiên cứu q
trình gia nhiệt bằng khí nóng cho khuôn phun
ép tạo sản phẩm dạng lưới”.
 Đăng trên Tạp chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ
Thuật, ISSN 1859-1272 (0 - 0.5 điểm – Hội
đồng Chức danh GS/PGS Nhà nước), số 33, năm
2015
Phạm Sơn Minh, Đỗ Thành Trung, Nguyễn Hộ,
Phan Thế Nhân, “Đánh giá q trình gia nhiệt
cho lịng khn hình chữ nhật bằng phương
pháp phun khí nóng từ bên ngồi”.

2
3

Tập bản
thiết
khn
Tập bản
tay máy

vẽ
kế
vẽ
gia

01

Bản vẽ thiết kế chi tiết 2D và 3D.

01

Bản vẽ thiết kế chi tiết 2D và 3D.
12


nhiệt
 Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ
cổng phun đến khả năng điền đầy lịng khn
phun ép nhựa
Học viên thực hiện: Nguyễn Hoài Phi
Người hướng dẫn: TS. Phạm Sơn Minh
4

Đào tạo Cao
học

02

Thời gian thực hiện: 31/8/2015-29/02/2016.
 Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ
ép phun đến độ chính xác của lỗ trên sản phẩm
nhựa thành mỏng
Học viên thực hiện: Cao Hoài Bảo Anh
Người hướng dẫn: PGS.TS. Đỗ Thành Trung
Thời gian thực hiện: 22/02/2016-22/8/2016.
 Tên đề tài: Chế tạo các chi tiết cơ khí cho tay
máy gia nhiệt khn ép phun.

Nhóm sinh viên thực hiện:
Lê Tiến Sĩ – 11144190
Nguyễn Trung Kiên - 11144214
Người hướng dẫn: PGS.TS. Đỗ Thành Trung

5

Đào tạo Đại
học

Thời gian thực hiện: 9/2015-01/2016.
02

 Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo module gia nhiệt
bằng khí nóng cho khn phun ép
Nhóm sinh viên thực hiện:
Lê Chí Đạt – 11143222
Huỳnh Minh Trí – 11143164
Trần Thành Duy - 13143586
Người hướng dẫn: TS. Phạm Sơn Minh
Thời gian thực hiện: 9/2015-01/2016.

6

Đăng ký giải
pháp hữu ích

01

Hệ thống gia nhiệt bằng khí nóng cho khn

phun ép nhựa, phương pháp gia nhiệt bằng khí
nóng cho khn phun ép nhựa với rãnh khn có
kích thước micromet.

13


SẢN PHẨM KH-CN DẠNG KẾT QUẢ I, II
1/ Tay máy gia nhiệt cho khn:
STT

Nội dung kiểm tra

Kết quả đo

1

Độ chính xác lặp lại vị trí:
5 mm

2.5 mm

Đo khi có tải 8.5 kg

2

Tốc độ nội suy phương X,
Y, Z: 0.25 m/s

0.25 m/s

Đo thông qua tốc độ quay

Tốc độ di chuyển nhanh
theo phương Z: 0.75 m/s

0.75 m/s

3

Phương pháp đo

của vitme
Đo thông qua tốc độ quay
của vitme tại giữa hành trình

4

Khơng gian làm việc: 500 500 mm x 500 Khoảng di chuyển lớn nhất
mm x 500 mm x 500 mm mm x 500 mm của tay máy theo 3 trục

5

Khả năng tải của cánh tay
máy: < 10 kg

10 kg

Với tải 10 kg, tay máy vẫn
đảm bảo các yêu cầu 1, 2, 3,

4

6

Trọng lượng của tay máy:
< 500 kg

375 kg

7

Kích thước bao của tay
máy: < 2 m x 2 m x 2 m

1.75 m x 1.8

8

Số bậc tự do: 3

9

Nhiệt độ nguồn gia nhiệt
cho khí có thể thay đổi từ
200 0C đến 400 0C

10

11

Đo bằng cân trên Palang
Đo thực tế

m x 2.0 m
3

Quan sát thực tế

Max = 450 0C Đo tại trang thái ổn định của
bộ gia nhiệt

0
Nhiệt độ khí nóng phun Max = 350 C
vào bề mặt khuôn với áp
suất đầu vào 7 MPa thay
đổi từ 100 0C đến 300 0C

Có khả năng cấp nguồn
khí nóng liên tục trong
thời gian 20 s

25 s

12

Tổng trong lượng của
module gia nhiệt: <10 kg

8.5 kg

13

Có khả năng tích hợp với

Đạt

Đo tại trang thái ổn định của
bộ gia nhiệt

Tại giây thứ 25, nhiệt độ khí
khơng giảm q 10 %

14

Đo thực tế
Kiểm tra tại trường ĐH Sư


Phạm Kỹ Thuật TP. HCM

dòng máy ép phun Shine
Well SW120B
14

Tay máy nhận biết trạng
thái của khuôn thông qua
hệ thống cảm biến

Đạt

Kiểm tra tại trường ĐH Sư
Phạm Kỹ Thuật TP. HCM
và Cơng ty Minh Tiến Phát
(Dĩ An – Bình Dương)

Có khả năng điều khiển,
xác định vị trí và nội suy
vị trí các vùng gia nhiệt
khác nhau

Đạt

16

Robot có 2 trạng thái điều
khiển: Tự động và vận
hành bằng tay thông qua
thiết bị giao tiếp (teach
pendant)

Đạt

Quan sát thực tế

17

Thời gian 1 chu kỳ gia
nhiệt: 20s (gồm: thời gian
tay máy vào vị trí gia
nhiệt, gia nhiệt và đưa

module gia nhiệt ra khỏi
khu vực khuôn)

15 s

Thời gian gia nhiệt 15 s,

15

Trong quá trình nội suy vẫn
đảm bảo được các điều kiện
1, 2, 3, 4

nhiệt độ khuôn tăng từ 35 0C
đến 150 0C

18

Chương trình điều khiển Tay máy sử
lưu trong bộ nhớ của PLC dụng RAM để
(nếu dùng PLC điều
khiển) hoặc RAM (nếu lưu chương
dùng vi xử lý điều khiển).
trình

19

Đồng bộ chương trình dựa
vào các tín hiệu sensor
trên khn (khơng đồng

bộ chương trình của máy
ép nhằm đa dạng cho
nhiều máy ép khác nhau)

Đạt

Quan sát hệ thống điều khiển

Kiểm nghiệm thông qua máy
ép ở trường ĐH SPKT và 3
máy ở công ty Minh Tiến
Phát

15


2/ Bộ khn dùng cho q trình thử nghiệm và sản xuất chip y sinh:
STT

Nội dung kiểm tra

Kết quả đo

Quan sát thực tế

1

Số lịng khn: 02

2

Thời gian chu kỳ: <30s (2
sản phẩm/ phút)

26 s – 2 sản

Kích thước khn: nhỏ
hơn 350 mm x 350 mm x
350 mm

200 mm x

Kích thước micro của sản
phẩm đạt độ chính xác >
90 %

Đạt

Độ chính xác các kích
thước của chip TFI theo
u cầu bản vẽ

Đạt

Có thể gia nhiệt cục bộ
cho lịng khn với tốc độ
gia nhiệt > 5 0C/s

Đạt

Khuôn tăng nhiệt độ từ 35 0C

(7.66 0C/s)

đến 150 0C trong 15 s  7.66

3

4

5

6

02

Phương pháp đo

phẩm

Đo thực tế với qui trình có gia
nhiệt
Đo thực tế khi đóng khn

200 mm x
350 mm
Thỏa các điều kiện về kích
thước yêu cầu của chip
Thỏa các điều kiện về kích
thước yêu cầu của chip

0

7

Có sử dụng cho qui trình
ép phun có hỗ trợ gia
nhiệt cho lịng khn

Đạt

8

Vật
liệu
Polycarbonat (PC)

nhựa:

Đạt

9

Có sử dụng hệ thống giải
nhiệt bằng nước

Đạt

C/s

Quan sát thực tế

Có sử dụng 4 đường nước giải
nhiệt có đường kính 10 mm

16


3/ Chip TFI

F=

A=

J=

D=

E=

C=

I=

H=

B=

G=

STT

Kích thước

Thiết kế (mm)

Đo thực tế (mm)

1

A

50

49.995 ±0.010

2

B

25

24.996 ±0.005

3

C

2

1.991 ±0.002

4

D

0.65

0.6502 ±0.001

5

E

0.5

0.4996 ±0.002

6

F

0.65

0.6501 ±0.001

7

G

5.0

4.991 ±0.001

8

H

12.5

12.4991 ±0.002

9

I

1.0

1.001 ±0.001

10

J

1.0

0.995 ± 0.001

17

II. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
KẾT QUẢ CÁC NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
TT Nội dung thực
Đánh giá sản phẩm đạt được
Tiến độ
hiện
hoàn
thành
1 Nghiên cứu cơng - Hồn thành Báo cáo phân tích các
nghệ gia nhiệt ưu nhược điểm của các loại khuôn 6/2015trong khn phun ép phun
7/2015
ép micro
2
- Đề tài đã hồn thành tay máy dùng
Thiết kế, chế tạo cho thử nghiệm phương pháp gia
và thực nghiệm nhiệt bằng khí nóng (1 bậc tự do)
ảnh hưởng các - Các kết quả được tổng hợp trong
6/2015thơng số đến hiệu báo cáo phân tích ảnh hưởng của
8/2015
quả của phương nhiệt độ khí và thời gian gia nhiệt
pháp gia nhiệt đến quá trình gia nhiệt cho bề mặt
bằng khí nóng
khn phẳng
3
Nghiên cứu, thiết
kế và chế tạo tấm
gia nhiệt khí
dùng cho tay máy
với 1 cổng phun

4

Nghiên cứu, thiết
kế và chế tạo tấm
gia nhiệt khí
dùng cho tay máy
với 4 cổng phun

Ghi chú
Nội dung
được trình
bày
ở
Phần 1

Nội dung
được trình
bày
ở
Phần 2

- Các kết quả nghiên cứu được tổng
hợp trong báo cáo kết quả mơ phỏng
Nội dung
dịng khí nóng trong hệ thống gia 8/2015- được trình
nhiệt cho khí với 1 cổng phun
9/2015 bày
ở
- Đã chế tạo xong tấm gia nhiệt cho
Phần 3

khí với 1 cổng phun
- Các kết quả nghiên cứu được tổng
hợp trong:
o Báo cáo kết quả mơ phỏng
dịng khí nóng trong hệ thống
gia nhiệt cho khí với 2 và 4
cổng phun, ảnh hưởng của số
cổng phun đến nhiệt độ khí tại
Nội dung
các cổng.
8/2015- được trình
o Báo cáo phân tích ảnh hưởng 9/2015 bày
ở
của nhiệt độ tấm gia nhiệt đến
Phần 3
nhiệt độ khí trong q trình gia
nhiệt cho khn với 4 cổng
phun, so sánh và đánh giá kết
quả thí nghiệm và mô phỏng
- Đã chế tạo xong tấm gia nhiệt cho
khí với 4 cổng phun

5

Thiết kế, chế tạo
9/2015- Nội dung
Các
kết
quả
về

thiết
kế
khung
gắn
khung
gắn
10/201 được trình
18


module gia nhiệt module gia nhiệt được trình bày
cho khí trên tay trong báo cáo kết quả mô phỏng ứng
máy
suất, biến dạng, phân bố nhiệt của
khung ở trạng thái tĩnh

5

bày
ở
Phần 4

- Đã chế tạo xong khung gắn module
gia nhiệt cho khí trên tay máy
6
- Các kết quả về thiết kế cổng phun
khí nóng được trình bày trong báo
Nội dung
Thiết kế, chế tạo cáo thiết kế tối ưu cổng phun khí với 9/2015được trình
cổng phun khí 1 và 4 cổng phun

10/201
bày
ở
nóng
5
Phần 3
- Đã chế tạo xong cổng phun cho
trường hợp 1 và 4 cổng phun
7
- Thiết kế của cơ cấu di chuyển
Tính tốn, thiết nhanh được trình bày trong tập bản
Nội dung
kế, chế tạo cơ cấu vẽ cơ cấu di chuyển nhanh theo 8/2015được trình
di chuyển nhanh phương đứng cho tay máy
11/201
bày
ở
theo
phương - Đã chế tạo xong cơ cấu di chuyển
5
Phần 4
đứng cho tay máy nhanh theo phương đứng cho tay
máy
8
- Thiết kế của cơ cấu di chuyển
Tính tốn, thiết ngang được trình bày trong tập bản 10/201 Nội dung
kế, chế tạo cơ cấu vẽ cơ cấu di chuyển theo phương
5được trình
ngang
cho

tay
máy
di chuyển ngang
11/201 bày
ở
cho tay máy
5
Phần 4
- Đã chế tạo xong cơ cấu di chuyển
theo phương ngang cho tay máy
9
- Thiết kế của cơ cấu đưa module gia
Tính tốn, thiết nhiệt vào vùng làm việc được trình
11/201 Nội dung
kế, chế tạo cơ cấu bày trong tập bản vẽ cơ cấu đưa
5được trình
đưa module gia module gia nhiệt vào vùng làm việc
12/201 bày
ở
nhiệt vào vùng
5
Phần 4
- Đã chế tạo xong cơ cấu đưa module
làm việc
gia nhiệt vào vùng làm việc
- Mô phỏng, lắp ráp và kiểm tra toàn
10
bộ hệ thống cơ khí của tay máy được
Mơ phỏng, lắp trình bày trong báo cáo kết quả mô
11/201 Nội dung

ráp và kiểm tra phỏng tồn bộ hoạt động cơ khí của
5được trình
tồn bộ hệ thống tay máy
12/201 bày
ở
cơ khí của tay
5
Phần 4
- Đã chế tạo xong hệ thống cơ khí
máy
của tay máy và vận hành theo đúng
u cầu
11 Tính tốn, thiết - Đã thiết kế và chế tạo xong hệ 1/2016- Nội dung
kế và chế tạo hệ thống điều khiển cho cơ cấu di 4/2016 được trình
19


thống điều khiển chuyển nhanh theo hướng đứng cho
tay máy
tay máy
- Đã thiết kế và chế tạo xong hệ
thống điều khiển cơ cấu di chuyển
ngang cho tay máy
- Đã thiết kế và chế tạo xong hệ
thống điều khiển cơ cấu đưa module
gia nhiệt vào vùng làm việc

bày
ở
Phần 5

Nội dung
12 Thiết kế, chế tạo
Đã thiết kế và chế tạo xong tấm 4/2016- được trình
tấm cố định cho
khn cố định cho khn micro
6/2016 bày
ở
khuôn micro
Phần 6
Nội dung
13 Thiết kế, chế tạo
Đã thiết kế và chế tạo xong tấm 5/2016- được trình
tấm di động cho
khuôn di động cho khuôn micro
6/2016 bày
ở
khuôn micro
Phần 6
Nội dung
14
Thiết kế, chế tạo Đã thiết kế, chế tạo vỏ của bộ khn 7/2016- được trình
vỏ khn micro
micro
9/2016 bày
ở
Phần 6
15 Thực nghiệm hệ Các kết quả về thực nghiệm được
Nội dung
trình bày trong báo cáo phân tích kết 9/2016thống phun khí

được trình
quả thực nghiệm của q trình gia 10/201
nóng vào lịng
bày
ở
nhiệt cho lịng khn micro bằng khí
6
khn
Phần 7
nóng
nghiệm
16 Thực
phun ép sản Các kết quả về thực nghiệm được 10/201 Nội dung
phẩm micro với trình bày trong báo cáo phân tích kết
6được trình
hỗ trợ của khí quả phun ép sản phẩm micro với hỗ 11/201 bày
ở
nóng gia nhiệt trợ của khí nóng
6
Phần 7
cho bề mặt khn

20


1. Nội dung 1: Nghiên cứu công nghệ gia nhiệt trong khn phun ép micro
Phần này trình bày các kết quả nghiên cứu thuộc nội dung 1 (Giai đoạn 1) của
đề tài, tập trung phân tích cơng nghệ gia nhiệt cho khuôn phun ép các sản phẩm
micro.
 Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết

 Sản phẩm đạt được: Báo cáo phân tích các ưu và nhược điểm của các loại
khuôn ép phun micro và phương pháp gia nhiệt
 Thời gian thực hiện: 6/2015- 7/2015
 Kết quả nghiên cứu:

21


1.1. Tổng quan về cơng nghệ khn ép phun kích thước micro
Hiện nay, với đà phát triển của công nghệ y sinh (Biomedical
Technology), các thiết bị phục vụ cho sức khỏe con người ngày càng phổ biến.
Trong đó, các dụng cụ kiểm tra và theo dõi sức khỏe có nhu cầu sử dụng ngày
càng cao. Nhìn chung, các thiết bị sử dụng trong ngành y sinh có kích thước nhỏ,
thơng thường các thiết bị này thuộc nhóm có kích thước micro [1 – 5]. Phổ biến
nhất hiện nay, các bộ chip phục vụ cho quá trình kiểm tra sức khỏe được ứng
dụng rất nhiều trong lĩnh vực y sinh như: thiết bị kiểm tra tế bào ung thư, kiểm
tra nồng độ các chất trong máu, kiểm tra tế bào HIV… Nhìn chung, các thiết bị
này có kết cấu gồm tấm nền (platform), trên đó, các vi kết cấu (micro feature)
được gia cơng với độ chính xác cao nhằm đảm bảo thiết bị LoC cho kết quả
chính xác [6 – 8]. Hình 1.1 trình bày kết cấu của một bộ LoC dùng cho quá trình
nghiên cứu về tế bào ung thư và các chức năng của máu.

Hình 1.1. Tấm nền của thiết bị LoC
Trước đây, tấm nền của LoC được chế tạo bằng nhiều công nghệ khác
nhau như: cắt laser (laser ablation), dập nổi (hot embossing), chạm khắc (soft
lithography)… [3], với các loại vật liệu khác nhau như silicon, thủy tinh, thạch
anh. Tuy nhiên, với nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều của các thiết bị y sinh,
nhược điểm của các công nghệ và vật liệu trên ngày càng không phù hợp với yêu
cầu thực tế vì giá thành cao, thời gian chế tạo chậm, trên hết, tính kinh tế của các
phương pháp này hồn tồn khơng phù hợp cho các qui trình sản xuất với sản

lượng lớn nhằm đáp ứng nhu cầu của người dân.
Từ những nhược điểm trên, thời gian gần đây, qui trình ép phun với vật
liệu nhựa được ứng dụng trong việc chế tạo các chip y sinh và bước đầu đạt
22


được kết quả tích cực. Với phương pháp mới này, những ưu điểm có thể được kể
đến như:
- Tính kinh tế [9]: Do phương pháp ép phun phục vụ tốt cho các
dạng sản xuất hàng loạt lớn, do đó chi phí cho 1 sản phẩm sẽ được
giảm đáng kể.
- Vật liệu [10]: các loại nhựa đã được nghiên cứu thử cho chip LOC
như Polycarbonat (PC), PMMA… hồn tồn thích hợp cho phương
pháp ép phun.
Bên cạnh những ưu điểm như trên, trong quá trình ứng dụng phương pháp
ép phun cho việc chế tạo các chip y sinh LOC gặp phải những khó khăn do hiện
tượng đơng đặc nhanh của dịng nhựa tạo hình cho sản phẩm [11 – 15]. Trong
qui trình chế tạo các sản phẩm thông thường, hiện tượng đông đặc nhanh của
dịng nhựa khi chảy vào khn khơng ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm.
Tuy nhiên, với các sản phẩm dùng cho chip y sinh, đây là một thách thức lớn
cho quá trình ép phun. Trong qui trình ép phun nhựa, khi nhựa lỏng được ép vào
lịng khn, hiện tượng đông đặc sẽ xuất hiện tại lớp tiếp xúc giữa nhựa lỏng và
thành khn. Do đó, dịng chảy nhựa sẽ bị cản trở lớn. Với các sản phẩm có kích
thước micro, đây là ngun nhân chính làm giảm độ chính xác của chi tiết, cũng
như gây ra hiện tượng không điền đầy khuôn [12, 15, 16].
Nhằm giải quyết các vấn đề liên quan đến dòng chảy nhựa trong khn
của sản phẩm dạng micro, hiện nay đã có nhiều nghiên cứu chứng minh rằng:
“phương pháp điều khiển nhiệt độ khuôn hợp lý” là một trong những giải pháp
hiệu quả và mang tính khả thi cao nhằm điều khiển dịng chảy nhựa trong khuôn
micro. Với lý do này, phương pháp gia nhiệt cho khuôn đng được nghiên cứu

ngày càng nhiều với các phương án như: sử dụng tia hồng ngoại (infrared
heating) [17, 18], dùng khí nóng (gas heating) [5, 19, 20], dùng từ trường
(induction heating) [16, 21]…
Trong nhóm gia nhiệt cho khuôn, phương pháp gia nhiệt bề mặt được xem
là phương án tối ưu hơn. Trong nhóm này, hệ thống gia nhiệt bằng tia hồng
ngoại (infrared heating) như Hình 1.2 đã được nghiên cứu và ứng dụng cho
23


khuôn ép phun nhựa [17, 18]. Hệ thống gia nhiệt bằng tia hồng ngoại được ứng
dụng cho khuôn ép phun sản phẩm dạng micro như Hình 1.3. Sau quá trình ép
phun, sản phẩm được scan 3D nhằm kiểm tra khả năng điền đầy khn cho các
kết cấu micro (Hình 1.4). Nghiên cứu này cho thấy với nhiệt độ khuôn 80 0C, và
10 s gia nhiệt, toàn bộ các kết cấu micro được điền đầy nhựa như Hình 1.4.

Hình 1.2. Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngoại (infrared
heating system)

Hình 1.3. Thiết kế của sản phẩm ép phun nhựa dạng micro

24