Tổng quan14 thách thức trong thế kỷ 21 như sau: The 14 challenges are as follows: Tạo năng lượng từ mặt trời một cách kinh tế Make solar energy economical Cung cấp năng lượng từ băng t
NHẬP MƠN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) Chương Thiết kế khí 2.1 Tổng quan 2.2 Qua trình thiết kế 2.2.1 Phát triển yêu cầu 2.2.2 Ý tưởng thiết kế 2.2.3 Thiết kế chi tiết 2.2.4 Chế tạo 2.3 Quá trình sản xuất 2.4 Các chủ đề thiết kế NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) 2.1 Tổng quan 14 thách thức kỷ 21 sau: (The 14 challenges are as follows:) Tạo lượng từ mặt trời cách kinh tế (Make solar energy economical) Cung cấp lượng từ băng tan (Provide energy from fusion) Phát triển phương pháp cô lập cac bon (Develop carbon sequestration methods) Quản lý chu trình ni tơ) (Manage the nitrogen cycle) Cung cấp giải pháp làm nước (Provide access to clean water) Bảo tồn cải thiện sở hạ tầng đô thị (Restore and improve urban infrastructure) Đẩy mạnh thông tin sức khỏe, y tế (Advance health informatics Phát minh nhiều thuốc tốt (Engineer better medicines) Tái tạo lại não (Reverse-engineer the brain ) Phòng ngừa thảm họa hạt nhân (Prevent nuclear terror) An tồn thơng tin mạng (Secure cyberspace) Tăng cường thực tế ảo (Enhance virtual reality) Đẩy mạnh giáo dục nhân cách (Advance personalized learning) Đưa công cụ phát minh khoa học (Engineer the tools of scientific discovery) NHẬP MƠN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) Các KS Cơ khí khơng tham gia mà cịn đóng vai trị quan trọng kỹ thuật lãnh đạo toàn cầu giải số thách thức Mặc dù thách thức trải rộng nhiều lĩnh vực, nguyên tắc chung để kết nối vấn đề khoa học kỹ thuật thiết kế Các đội thiết kế đa ngành, nghề cần thiết để thiết kế giải pháp sáng tạo và hiệu đáp ứng vấn đề nảy sinh thách thức Qúa trình phát triển sản phẩm: Xác định vấn đề thiết kế Phát triển ý tưởng Sản xuất Đăng ký quyền (patent) NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) Các nội dung thiết kế liên quan đến chương trình kỹ thuật khí mơ tả tơ sẫm mầu NHẬP MƠN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) Khảo sát sản phẩm (Product archaeology ) q trình xây dựng lại vịng đời sản phẩm bao gồm : nhu cầu khách hàng, đặc trưng thiết kế, quy trình sản xuất sản phẩm đó từ hiểu định dẫn đến phát triển sản phẩm Qúa trình đề xuất vào năm 1998 Khảo sát sản phẩm - Nghiên cứu giá thành sản xuất - Ảnh hưởng bối cảnh toàn cầu & bối cảnh xã hội - Nghiên cứu tác động sản phẩm đến môi trường thông qua lượng tiêu thụ, vật liệu sử dụng tồn vịng đời sản phẩm NHẬP MƠN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) Qúa trình khảo sát sản phẩm gồm giai đoạn: Chuẩn bị (Preparation): Nghiên cứu kiến thức sở (background) sản phẩm, kể nghiên cứu thị trường, đăng ký quyền tiêu chuẩn hành sản phẩm Đào sâu (Excavation): Mổ xẻ tháo rời chi tiết sản phẩm, thực phân tích sản phẩm, xây dựng mô tả chức năng, lắp ráp lại sản phẩm Đánh giá (Evaluation): Xem xét tiêu chuẩn hành sản phẩm, tiến hành thực nghiệm vật liệu & thử nghiệm sản phẩm Giải thích (Explanation): Rút kết luận vấn đề tồn cầu, kinh tế, mơi trường xã hội định hình thiết kế sản phẩm định hình đến thiết kế sản phẩm tương tự NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) Ví dụ: Khảo sát cho thiết kế xe đạp Xe đạp bối cảnh toàn cầu Xe đạp sử dụng phương tiện cứu thương ỏ Sahara Châu Phi Nhật có nhiều xe đạp nên phải có bãi đỗ xe đạp Ở số nước Hà lan, có sở hạ tầng giao thông dành riêng cho xe đạp như: đường, đèn tín hiệu, bãi đỗ, ký hiệu đường, đường hầm dành riêng cho xe đạp Ở Trung quốc có nhiều xe đạp điện Xe đạp bối cảnh xã hội Một số cửa hàng cà phê xe đạp có dịch vụ bán đồ ăn cho thuê xe đạp tham quan thành phố Henry Ford thợ khí xe đạp Xe đạp xem xúc tác cho phong trào giải phóng phụ nữ NHẬP MƠN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) Tác động mơi trường xe đạp Có nhiều chương trình chia xẻ, sử dụng chung xe đạp nước châu Âu Có nhiều chương trình khuyến khích người sử dụng xe đạp làm phương tiện làm nhằm làm giảm khí thải cacbon Có nhiều thống kê cho thấy sinh viên nhiều thành phố Mỹ xe đạp theo vé tháng Tìm tác đọng tích cực xe đạp tỷ lệ tai nạn Vân đề kinh tế thiết kế xe đạp So sánh giá thành tương đối xe đạp với ô tô kể giá thành chế tạo, vận hành bảo trì Gía thành cân nhắc lựa chọn xe đạp chất dẻo so với vật liệu truyền thống Giảm chi phí y tế, chăm sóc sức khỏe xe đạp phương tiện giao thơng bật NHẬP MƠN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) Bản chất đa ngành, đa lĩnh vực thiết kế phát triển sản phẩm Các KS khí phần khơng thể thiếu đội thiết kế sản phẩm Một sản phẩm thường phức tạp cho người với tất kỹ năng, kiến thức, thời gian kinh nghiệm cần thiết KS khí cần tương tác, giao tiếp hiệu với thành viên khác đội : KS điện, KS máy tính,quản lý, tiếp thị, người sản xuất, nhà cung cấp, khách hàng, … Trong trình thiết kế sản phẩm, đội thiết kế cần phải: Xây dựng ý thức trách nhiệm thành viên đội thành cơng chung đội Tiến hành thảo luận, trao đổi ý tưởng, giải pháp khác nhau, đảm bảo thành viên đội đóng góp ý kiến Cho phép thành viên giải thích ý tưởng họ nghiên cứu cách tập thể Ủng hộ định đưa quan tâm nhiều đội Đẩy mạnh cách sáng tạo, hiệu giải pháp vấn đề kỹ thuật, toàn cầu, xã hội, mơi trường, kinh tế NHẬP MƠN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) 2 Qúa trình thiết kế KS khí đóng vai trị quan trọng khởi tạo đổi quốc gia công ty Nhận biết hiểu tác động thiết kế khí đến thành cơng công nghệ sáng tạo cần thiết để giải thách thức thời đại Chiến lược phát triển sản phẩm mơ tả đồ thị với trục Style (low/high) Technology (low/high) VD1: Các máy nghe nhạc số Apple ™ iPhone, Một máy nghe nhạc tiêu chuẩn, giá phải chăng, thiết kế cho khách hàng cần nghe nhạc thiết kế cho khách hàng muốn có cơng nghệ với tính thời trang Style Một máy chơi nhạc có hình dạng giống khối Lego®, thiết kế cho khách hàng sành điệu Technology Máy nghe nhạc tích hợp khả chống thấm nước cho người bơi lội Biểu đồ kiểu cách - công nghệ cho máy nghe nhạc kỹ thuật số 10 NHẬP MƠN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) 2.2.1 Xây dựng yêu cầu (Requirements development) Thiết kế khí bắt đầu nhu cầu xác định Đây nhu cầu kỹ thuật từ thị trường nhu cầu người nước sạch, lượng tái tạo hay phòng ngừa thảm họa tự nhiên,…Trước tiên KS khí xây dựng tập đầy đủ yêu cầu hệ thống có liên quan đến vấn đề sau: Functional performance: What the product must accomplish (Hiệu suất chức năng: Sản phẩm phải đạt gì) Environmental impact: During production, use, and retirement (Tác động đến môi trường: Trong trình sản xuất, sử dụng loại bỏ) Manufacturing: Resource and material limitations (Sản xuất: Hạn chế tài nguyên vật liệu) Economic issues: Budget, cost, price, profit (Các vấn đề kinh tế: Ngân sách, chi phí, giá cả, lợi nhuận) Ergonomic concerns: Human factors, aesthetics, ease of use (Mối quan tâm công thái học: Yếu tố người, tính thẩm mỹ, tính dễ sử dụng) Global issues: International markets, needs, and opportunities (Các vấn đề toàn cầu: Thị trường quốc tế, nhu cầu hội) Life cycle issues: Use, maintenance, planned obsolescence 14 (Các vấn đề vòng đời: Sử dụng, bảo trì, tính lỗi thời hoạch định trước) Social factors: Civic, urban, cultural issues (Các yếu tố xã hội: Các vấn đề dân cư, đô thị, văn hóa) NHẬP MƠN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) 2.2.2 Thiết kế ý tưởng Trong giai đoạn này, KS thiết kế cộng tác tạo phạm vi rộng giải pháp tiềm vấn đề cần giải lựa chọn mốt số giải pháp triển vọng để phát triển Qúa trình dẫn dắt ban đầu tư phân tích (divergent thinking ) tập ý tưởng sáng tạo phát triển Khi tập phong phú ý tưởng tạo ra, qúa trình dẫn dắt tư hội tụ (convergent thinkings ) Các KS bắt đầu hạn chế đưa ý tưởng tập trung số ý tưởng tốt Danh sách yêu cầu liệt kê giai đoạn dùng để loại bỏ thiết kế không khả thi hay yếu nhận dạng ý tưởng có triển vọng đáp ứng yêu cầu Các đánh giá thực cách lập bảng hay ma trận so sánh thuận lợi khó khăn yêu cầu Các mơ hình máy tính mẫu chế tạo RP sử dụng để hỗ trợ cho q trình lựa chọn phương án 15 NHẬP MƠN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) Việc tạo lựa chọn ý tưởng thiết kế ý tưởng (The generation and selection of ideas in conceptual design) 16 NHẬP MƠN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) 2.2.3 Thiết kế chi tiết Trong giai đoạn thiết kế chi tiết cần phải thực số nhiệm vụ sau: Xây dựng bố cục cấu hình sản phẩm (Developing product layout and configuration) Lựa chọn vật liệu cho chi tiết (Selecting materials for each component) Giải vấn đề thiết kế (ví dụ: thiết kế độ tin cậy, sản xuất, lắp ráp, biến thể, chi phí, tái chế) (Addressing design-for-X issues (e.g., design for reliability, manufacturing, assembly, variation, costing, recycling) Tối ưu hóa hình học cuối cùng, bao gồm dung sai thích hợp (Optimizing the final geometry, including appropriate tolerances) Xây dựng mơ hình kỹ thuật số hồn chỉnh tất thành phần cụm lắp ráp (Developing completed digital models of all components and assemblies) Mô hệ thống cách sử dụng mơ hình tốn học kỹ thuật số (Simulating the system using digital and mathematical models) Tạo mẫu thử nghiệm thành phần mô-đun quan trọng (Prototyping17 and testing critical components and modules) Xây dựng kế hoạch sản xuất (Developing the production plans) NHẬP MƠN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) Một số đặc trưng trình thiết kế: 1- Tính đơn giản (Simplicity): 2- Tính lặp lại (Iteration) 3- Tính sử dụng (usability) 4- Tài liệu (documentation) 5- Bản quyền (Patents) 6- Tạo mẫu nhanh (Rapid prototyping) 18 NHẬP MƠN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) 2.2.4.Sản xuất Ngay giai đoạn đầu xây dựng yêu cầu, KS phải quan tâm đến yêu cầu chế tạo giai đoạn sản xuất Các chức thiết kế, hình dạng, vật liệu, giá thành dạng sản xuất quan hệ chặt chẽ cân trình thiết kế Các dạng sản xuất: Sản xuất lớn (mass production) số lĩnh vực ô tô, điều hịa, IC, van thủy lực, ổ đĩa cứng máy tính, thường tự động hóa khí Các sản phẩm sản xuất đại trà với sản lượng lớn Sản xuất theo yêu cầu (custom production) dùng cho chế tạo thử nghiệm chế tạo chi tiết thay với sản lượng nhỏ Công nghệ sử dụng thường công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid prototyping) hay cịn gọi cơng nghệ in 3D (3D printing technology) theo nguyên lý bổ sung dần vật liệu Sản phẩm trực tiếp hình từ file điện tử tạo máy tính 19 NHẬP MƠN KỸ THUẬT CƠ KHÍ (AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING) Căn theo khối lượng chi tiết sản lượng sản xuất năm phân sản xuất chi tiết khí thành dạng: • Sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ • Sản xuất dạng khối, loạt lớn (sản xuất lớn ) • Sản xuất loạt vừa Q – Khối lượng chi tiết Dạng sản xuất >200 kg 4- 200kg < kg Sản lượng hàng năm chi tiết (chiếc ) Đơn 1000 > 5000 > 50000 20