Bài viết này đề xuất kết cấu cơ khí và điều khiển cho máy in 3D chocolate phục vụ lĩnh vực ăn uống và trang trí. Các kết quả được trình bày có trình tự từ việc tóm tắt quá trình hình thành ý tưởng, tính toán và thiết kế, chế tạo, lắp ráp và chạy mẫu thử nghiệm. Các kết quả về mẫu in chocolate cho thấy máy được thiết kế có khả năng đáp ứng việc in mẫu thỏa mãn hình dạng của mô hình thiết kế CAD.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thực phẩm 21 (1) (2021) 86-97 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D CHOCOLATE Nguyễn Trần Phong, Võ Phúc Việt, Lê Duy Trọng, Nguyễn Huy Hoàng, Phạm Văn Toàn, Nguyễn Hữu Thọ* Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM *Email: tho.nh@hufi.edu.vn Ngày nhận bài: 31/8/2020; Ngày chấp nhận đăng: 06/01/2021 TĨM TẮT Cơng nghiệp in 3D xu hướng cách mạng công nghiệp 4.0 xu tương lai, dần thay việc chế tạo chi tiết từ đơn giản đến phức tạp vài thao tác nhỏ Trong vài năm gần đây, ứng dụng công nghệ in 3D thực phẩm thu hút nhiều nhà nghiên cứu, đặc biệt lĩnh vực ẩm thực Ở Việt Nam, lĩnh vực chưa tiếp cận nhiều Do đó, nghiên cứu ứng dụng tảng máy in 3D cho vật liệu nhựa PLA ABS để xây dựng mô hình máy in 3D cho thực phẩm chocolate Bài báo đề xuất kết cấu khí điều khiển cho máy in 3D chocolate phục vụ lĩnh vực ăn uống trang trí Các kết trình bày có trình tự từ việc tóm tắt q trình hình thành ý tưởng, tính tốn thiết kế, chế tạo, lắp ráp chạy mẫu thử nghiệm Các kết mẫu in chocolate cho thấy máy thiết kế có khả đáp ứng việc in mẫu thỏa mãn hình dạng mơ hình thiết kế CAD Từ khóa: Công nghệ in 3D, máy in 3D, chocolate, thực phẩm GIỚI THIỆU Công nghệ in 3D chuỗi kết hợp công đoạn khác để tạo vật thể tọa độ không gian Kodama đề xuất in 3D vào năm 1980 xem cha đẻ công nghệ in 3D Vào năm 1984, Stereolithography (STL) cấp cho nhóm kỹ sư người Pháp cuối vào bế tắc Cho tới năm 1986, STL đăng ký quyền thành cơng Charles Hull phổ cập hóa ngày hơm [1] Qua 40 năm hình thành phát triển, công nghệ in 3D giới đạt nhiều thành tựu đáng ý lĩnh vực xây dựng, ô tô, hàng không, y học… Ở Việt Nam giới, thông tin in 3D xu hướng quan tâm nhiều nhà nghiên cứu [2, 3] Việc du nhập cơng nghệ in 3D vào năm 2003 giá thành cao nên không sử dụng rộng rãi, đa số nằm giấy tờ nên việc ứng dụng vào thực tế cịn mang tính chất thử nghiệm [4] Thành tựu bật Việt Nam ghi nhận in mảnh sọ methyl methacrylate để vá lỗ thủng đầu nạn nhân [5] Sự tiến khoa học kỹ thuật phát triển xã hội ngày khiến cho thực phẩm không đơn để đáp ứng nhu cầu thiết yếu người mà thưởng thức tinh tế nghệ thuật ăn Tạo hình cho thực phẩm chủ yếu sử dụng khn đúc khéo tay người đầu bếp Việc tạo hàng loạt sản phẩm làm từ thực phẩm giống đặt nhiều thử thách, đặc biệt với chocolate Việc tạo hình chocolate từ xưa tới chủ yếu dùng khn Tuy nhiên, khn khơng thể đúc hình dạng phức tạp Với nguyên qua tìm hiểu, khảo sát nhu cầu máy 86 Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy in 3D chocolate thực phẩm máy in 3D chocolate hướng góp phần vào công đổi theo thời đại công nghiệp 4.0 Vì vậy, nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy in 3D chocolate phục vụ ngành thực phẩm thu hút quan tâm từ giới nghiên cứu, lĩnh vực nhiều thử thách [3, 6-10] Máy tạo hình dạng chocolate để phục vụ cho thị trường có nhu cầu cao thực phẩm sử dụng nhiều ẩm thực bánh trang trí Do vậy, nghiên cứu thiết kế chế tạo máy in 3D chocolate mang lại tiềm lớn, giúp cho việc tạo hình 3D vật liệu chocolate đơn giản, dễ thực hiện, có hình dạng phức tạp thẩm mỹ để thỏa mãn nhu cầu đa dạng ngày cao khách hàng PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 2.1 Cấu trúc máy in 3D Kết cấu máy in 3D bao gồm thành phần động cơ, điện tử, vít me đai ốc bi, ổ bi, kết cấu khung, đai răng, đầu phun, vật liệu in, bo mạch, cơng tắc hành trình, cảm biến, đầu phun, nguồn cung cấp điện, bàn in, đế in hệ thống điều khiển với hình tương tác người dùng [12, 13] Tất kết hợp để tạo thành máy hoàn chỉnh hoạt động ổn định Cấu trúc khí máy in 3D gần giống với loại máy CNC (Computer Numerical Control) với truyền động trục Bộ truyền truyền vít me - đai ốc truyền đai Đặc điểm truyền động khí máy in 3D tải trọng tác dụng khơng đáng kể Do đó, việc thiết kế tương đối đơn giản, kết cấu trục tương đối gọn nhẹ, chi tiết lắp ráp không đòi hỏi khả chịu lực cao Do vậy, ta sử dụng chi tiết in máy in 3D khác để lắp ráp Đó ưu điểm máy in 3D Phần điện máy in 3D chia thành khối: khối điều khiển khối chấp hành Khối điều khiển gồm thành phần như: vi điều khiển, board kết nối, driver Khối chấp hành gồm thành phần như: động bước, cảm biến nhiệt, động servo (nếu có), tản nhiệt… Tiếp theo phận đùn, phần quan trọng máy Bộ phận thực chức máy: tời cung cấp chạy vật liệu liên tục, đầu phun thực chức nung chảy đùn tạo nên mẫu theo lớp Phần mềm chia làm thành phần: phần mềm CAD/CAM phần mềm điều khiển Phần mềm CAD (Computer Aided Design) phần mềm có chức tạo mẫu 3D Mơ hình in máy in 3D Các phần mềm CAD sử dụng CATIA, UGS NX, Solid Edge, Autodesk Inventor, FreeCAD, Solidworks, PTC Creo, Sketchup… Các mơ hình 3D sau tạo phải chuyển đổi sang định dạng tệp *.STL từ đưa sang phần mềm CAM (Computer Aided Manufacturing) CURA để xử lý Các phần mềm CAM phần mềm thực chức cắt lớp vật thể công nghệ in 3D in theo lớp, lớp cắt có kích thước nhỏ chất lượng mẫu in tốt Tuy nhiên, thời gian in tăng lên ngược lại, lớp in lớn chất lượng giảm tốc độ in tăng lên Để tối ưu hóa chất lượng in tốc độ in phải cài đặt thông số vận hành máy in hợp lý Sau cắt lớp phần mềm tạo chuyển động in xuất sang tệp *.Gcode Các mã lệnh Gcode hầu hết tương tự với Gcode máy CNC có số mã lệnh riêng máy in 3D 2.1.1 Phân loại máy in 3D Máy in 3D thường có cấu trúc theo dạng như: Cartesian, Delta, Polar SCARA Trong đó, cấu trúc dạng Cartesian máy in 3D di chuyển đầu đùn nhựa nhờ chuyển động theo phương X, Y, Z hệ tọa độ Cartesian (Hình 1a) Đại diện tiêu biểu dịng máy 87 Nguyễn Trần Phong, Võ Phúc Việt, Lê Duy Trọng, Nguyễn Huy Hoàng, Phạm Văn Toàn… in 3D mã nguồn mở loại Cartesian Prusa i3 hay Mendel Máy in 3D kiểu Cartesian phát triển từ năm 2010 Josef Prusa Đây mẫu máy in 3D công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling) phổ biến thị trường [14] Máy có ưu điểm lắp ráp, chỉnh bảo dưỡng dễ dàng, cộng đồng mã nguồn mở lớn, phù hợp với người bắt đầu làm quen công nghệ in 3D Nhược điểm: Khối lượng cấu động lớn, nên tốc độ in không cao gây ồn Khi hoạt động máy thường bị rung làm giảm độ xác Kích thước ngang lớn, thường bị hạn chế chiều cao vật in Kiểu cấu trúc thứ hai Delta Delta máy in 3D di chuyển đầu đùn nhựa theo nguyên lý robot delta (robot song song) Đại diện tiêu biểu cho dòng máy in mã nguồn mở dạng Delta Delta robot 3D printer (Kossel) mơ tả Hình 1b Dịng máy sử dụng cấu delta, cơng nghệ in FDM, loại nhựa thường sử dụng nhựa ABS PLA Ưu điểm khối lượng cấu di động nhỏ phần di chuyển theo trục thẳng đứng hoạt động êm, rung, tốc độ cao xác in vật in có chiều cao lớn Bàn nhiệt (nơi đặt vật in) khơng di chuyển suốt q trình in nên vật in giữ chắn Khung bệ chắn Nhược điểm lắp ráp, chỉnh máy phức tạp, đã thạo dễ Máy thường đắt chút so với máy dạng Cartesian Polar loại máy in 3D phổ biến hai loại Đầu đùn nhựa di chuyển theo nguyên lý tọa độ cực Máy in 3D polar phát triển Công ty Autodesk năm 2015 Hình 1c Đây dịng máy in sử dụng công nghệ SLA, sử dụng vật liệu loại nhựa ABS, PLA Ưu điểm kiểu dáng Máy hoạt động bị rung lắc kiểu Cartesian Kích thước vật in lớn Nhược điểm mơmen qn tính bàn nhiệt lớn, tốc độ in không cao, lắp ráp hiệu chỉnh máy khó giá thành cao Dựa vào ưu nhược điểm phân tích trên, nghiên cứu định lựa chọn phương án thiết kế kết cấu máy in theo dạng Cartesian a Máy Cartesian [15] b Máy Delta [15] c Máy Polar [15] Hình Các dạng kết cấu máy in 3D 2.1.2 Quy trình tạo mẫu sản phẩm in 3D Quy trình tạo mẫu sản phẩm in 3D thực phẩm tương tự loại máy in khác cho vật liệu nhựa, bao gồm bước thể Hình Bước 1: Tạo mơ hình 3D dạng mặt hay khối sử dụng phần mềm CAD Autodesk Inventor, CATIA, UGS NX, Solidworks Solid Edge Bước 2: Tiền xử lý, bao gồm công việc như: đổi định dạng file CAD 3D sang tệp *.STL xấp xỉ bề mặt dạng tam giác Tệp *.STL tệp trung gian giao tiếp hệ thống CAD máy in Sử dụng phần mềm thiết kế cấu trúc đỡ phụ, kiểm tra chỉnh sửa lỗi tệp *.STL dùng phần mềm MeshLab cắt lớp chi tiết với phần mềm CURA Thiết lập thông số vận hành máy in phần mềm CURA xuất file tệp Gcode tạo đường chuyển động để giao tiếp với máy in 3D thơng qua cáp nối trực tiếp máy tính máy in thẻ nhớ lưu tệp Gcode cắm vào máy in 88 Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy in 3D chocolate Bước 3: Tạo mẫu tự động Bước 4: Hậu xử lý, bao gồm công việc như: tháo cấu trúc đỡ phụ, xử lý bề mặt, đánh bóng sơn màu… Xây dựng mơ hình CAD từ phần mềm Inventor, Solid Edge, Solidworks Thiết lập thông số tệp *STL lưu mơ hình CAD dạng tệp *STL Nhập tệp *STL vào phần mềm Meshlab để chỉnh sửa lỗi xảy lưu Khởi động, đưa liệu Gcode vào máy in 3D thực phẩm thông qua thẻ nhớ Xuất tệp Gcode chứa mã điều khiển máy in 3D, đồng thời cho biết thời gian in Đưa tệp *STL vào phần mềm CURA thiết lập thông số vận hành máy in 3D thực phẩm Lấy sản phẩm sau in, làm cấu trúc đỡ phụ, đánh bóng, sơn Chiều dày lớp đùn, tốc độ đầu đùn, nhiệt độ đầu đùn, đường chạy dao, lớp đế lớp mặt Hình Quy trình tạo mẫu sản phẩm in 3D 2.2 Thiết kế kết cấu máy in 3D Kết cấu máy chia làm phần chính: Phần khí bao gồm: khung máy, đùn, gá…; phần điện bao gồm chủ yếu sử dụng mạch MEGA2560, RAMPS 1.4 A4988… 2.2.1 Về thiết kế khí Hệ thống khí máy in mơ tả thực tế Hình Chi tiết quan trọng vít me đai ốc bi cụm trục Z có đường kính D = 10 mm Nghiên cứu sử dụng đùn nặng cần lực ép lớn nên vít me có bước từ 10 mm trở lên không đạt yêu cầu độ cứng vững khiến cho động bị trượt bước dẫn đến sai số Trải qua q trình tính tốn thực nghiệm, nghiên cứu chọn vít me có bước mm Để đảm bảo truyền động từ động sang cấu chấp hành cụm X Y, đai GT2 sử dụng với thông số bước mm rộng mm Về phần đầu đùn chocolate, qua tính tốn dùng vít me có đường kính D = mm, bước P = mm Về phần tính xung, áp dụng cơng thức tính xung đo thơng số vít me thước cặp tính thơng số sau cụm X, Y, ta có xung 80, cụm Z đùn có xung 400 Trục Z trục di chuyển q trình làm việc, nhiên có yếu tố định đến chất lượng sản phẩm lớn liên quan đến thông số chiều dày lớp in, thơng số ảnh hưởng đến độ bóng dung sai kích thước chiều cao chi tiết Đối với trục Z, ta sử dụng truyền động vít me - đai ốc bi Trục X Y đòi hỏi tốc độ in nhanh đảm bảo độ xác Vì vậy, nghiên cứu sử dụng truyền đai GT2 cho trục X Y Phần khung máy gồm nhơm định hình (2) có kích thước (30 × 30) mm chịu lực đảm bảo độ cứng vững máy Máy sử dụng cặp ray trượt (10) để dẫn động cho trục X Ray giúp dẫn hướng xác hơn, giảm độ rơ tăng độ cứng vững cho máy Ray phận chịu toàn tải trọng đùn lực ép xuống đầu đùn Tiếp theo trục có đường kính Ø8 mm gắn cố định vào giá cố định trục chữ T (13) dùng để dẫn hướng cho bàn in (1) Các nhôm dày mm (7, 8, 11) gia công để làm đỡ động cụm trục Z Về hệ thống đùn gồm có ray trượt (5) để dẫn hướng Trục vít me (12) truyền lực ép chocolate xylanh (4) Xylanh gia công nhôm để tăng khả chịu nhiệt độ, trì lực ép khơng đổi suốt q trình in Đầu kim có kích thước Ø1,4 mm gia cơng inox Tất chi tiết tiếp xúc với chocolate bền 89 Nguyễn Trần Phong, Võ Phúc Việt, Lê Duy Trọng, Nguyễn Huy Hoàng, Phạm Văn Toàn… với nhiệt độ cao chocolate gấp nhiều lần, thân thiện với môi trường, làm tăng tính vệ sinh an tồn thực phẩm a Bản vẽ cấu tạo máy in 3D chocolate b Mơ hình cấu tạo máy in 3D chocolate Cấu tạo máy in 3D gồm: (1) bàn in, (2) nhơm định hình, (3) gân tăng cứng, (4) xylanh, (5) phận dẫn hướng, (6) ống tròn định hướng, (7, 8) nhôm, (9) động cơ, (10) cặp ray trượt, (11) nhơm dày mm, (12) trục vít me, (13) giá cố định trục chữ T Hình Mơ hình khí máy in 3D thực phẩm a Bản vẽ cụm đầu đùn gồm: (1) xylanh, (2) đế, (3) ray kẹp, (4) đỡ vít me, (5) trục vít me, (6) khớp nối, (7) động b Mơ hình cụm đầu đùn Hình Cụm đầu đùn chocolate Một hệ thống khác chiếm tầm quan trọng vít me đai ốc bi Nó định đến thành công máy in 3D hệ thống đầu đùn Về thiết kế hệ thống, đầu đùn đơn giản gồm có ray trượt dẫn hướng, sử dụng vít me đai ốc để dẫn hướng tạo lực ép cho đùn (Hình 4a 4b) Gắn với đai ốc cụm trượt ray nhôm cho phép truyền lực ép lên xylanh Từ làm cho cho xylanh di chuyển xuống đẩy vật liệu chocolate nóng chảy Lực ép tính tốn dựa thơng số đường kính mũi kim, đường kính thành ống vận tốc chảy chocolate đầu đùn Hệ thống truyền động động bước Khi động bước quay với vận tốc tính tốn từ trước tạo lực ép vừa đủ để đạt vận tốc chocolate đầu kim Vận tốc phải thỏa mãn yêu cầu để không phá vỡ cấu trúc chocolate tiến hành in Đối với loại chocolate dùng để in xung nhập vào động bước thường nằm khoảng 5-8 Về thiết kế, cấu đơn giản, độ ổn định hiệu cao Lượng chocolate khỏi xylanh mũi kim ổn định đạt yêu cầu Về phần xylanh, nghiên cứu sử dụng inox để gia nhiệt cho chocolate đạt trạng thái phù hợp việc in 3D Đường kính xylanh 20 cm Dung tích xylanh đạt 20 mL Đối với dung tích in chi tiết vừa nhỏ Nhóm có gia cơng thêm nhơm để định vị ống xylanh nằm vị trí Sử dụng bu lông M4 để cố định kẹp chặt xylanh để đảm bảo ổn định trình in Cơ cấu cho phép lấy xylanh khỏi máy cách dễ dàng để tiếp thêm nguyên liệu cho trình in Đầu kim gia cơng inox 304 đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm chịu nhiệt độ tiến hành gia nhiệt cho chocolate Khoảng cách thích hợp đầu kim bàn in tính khoảng 0,6-0,8 mm để đạt đường in đẹp chắn Hệ thống đùn thiết kế nhôm nên 90 Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy in 3D chocolate đảm bảo độ cứng vững tỏa nhiệt trình in khiến cho máy khơng bị nóng q ảnh hưởng tới trình in Trọng lượng đùn nặng khoảng 2,5 kg trọng lượng nặng máy in 3D Bộ đùn chưa thực tối ưu trọng lượng Chỉ ép từ xuống chưa kéo từ lên Đây giới hạn nghiên cứu cần cải tiến phiên tương lai 2.2.2 Thiết kế điện điều khiển Về phần điện: Mạch điều khiển RAMPS 1.4 kết nối với vi điều khiển Arduino Mega 2560 Các động dẫn động trục X, Y, Z, cảm biến vị trí, nhiệt độ, hình hiển thị kết nối với mạch điều khiển RAMPS 1.4 thể Hình Hình Sơ đồ khối mạch điều khiển máy In 3D chocolate (1) Arduino MeGA 2560, (2) Bộ gia nhiệt, (3) Cảm biến nhiệt, (4) Cụm công tắc hành trình trục X,Y,Z, (5) Màn LCD, (6) RAMPS 1.4, (7) Động bước trục X,Y,Z,E, (8) Nguồn ĐỊNH DẠNG TỆP *.STL 3.1 Về dạng file mà phần mềm sử dụng Hình Tệp *.STL Tệp STL lưu trữ thơng tin mơ hình 3D (Hình 6) Định dạng mơ tả hình dạng bề mặt đối tượng chiều mà khơng có biểu màu sắc, kết cấu thuộc tính mơ hình phổ biến khác Các tệp thường tạo chương trình thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD), sản phẩm cuối quy trình mơ hình 3D Định dạng tệp *.STL định dạng tệp sử dụng phổ biến để in 3D Khi sử dụng với máy cắt 3D, cho phép máy tính giao tiếp với phần cứng máy in 3D Mục đích định dạng tệp *.STL mã hóa hình dạng bề mặt vật thể 3D (Hình 7) 91 Nguyễn Trần Phong, Võ Phúc Việt, Lê Duy Trọng, Nguyễn Huy Hoàng, Phạm Văn Tồn… Hình Một file vẽ chuyển sang file STL Hình Độ mịn (độ phân giải) bề vật Định dạng *.STL quỹ tích mặt tam giác phẳng lắp ráp liên tục với thể bề mặt vật thể không gian chiều Do định dạng *.STL sử dụng yếu tố mặt phẳng nên khơng thể bề mặt cong cách xác Tăng số lượng mặt tam giác cải thiện độ mịn bề mặt cong bù lại dung lượng tệp tăng Các chi tiết lớn, phức tạp cần nhiều thời gian cho khâu tiền xử lý xây dựng định dạng *.STL (Hình 8) Do đó, người thiết kế phải xem xét yếu tố thời gian, dung lượng file độ xác để có tệp *.STL hợp lý 3.2 Thơng số tệp STL Hình Độ lệch Hình 10 Góc pháp tuyến hai tam giác liền kề Chiều cao hợp âm khoảng cách tối đa từ bề mặt thiết kế ban đầu lưới STL (Hình 9) Nếu chọn dung sai phù hợp, in chi tiết trông mượt mà không bị thô Rõ ràng chiều cao hợp âm nhỏ, mặt thể xác bề mặt thực tế mơ hình Đây khoảng cách bề mặt vẽ gốc hình tam giác (xếp lớp lát gạch) Góc giới hạn góc chuẩn tam giác liền kề Góc mặc định thường đặt 15 độ (Hình 10) Giảm độ lệch (có thể dao động từ đến 1) cải thiện độ phân giải in NGUYÊN LIỆU 4.1 Quy trình chuẩn bị chocolate Hình 11 Quy trình chuẩn bị chocolate Hình 11 trình bày quy trình chuẩn bị vật liệu chocolate Bước đầu quy trình xử lý chocolate Tiến hành đun cách thủy chocolate có hàm lượng ca-cao phù hợp Khi chocolate chuyển từ dạng rắn sang dạng lỏng hoàn toàn, ta tiến hành bơm chocolate vào ống tiêm Khi bơm chocolate vào, chocolate phải khơng có khơng khí xylanh dẫn đến lượng chocolate không in Tiến hành gắn ống bơm vào hệ thống đùn Lúc này, chocolate nguội chuyển thành dạng rắn gây khó khăn cho q trình in 3D Sử dụng đầu gia nhiệt để đưa chocolate dạng lỏng thích hợp cho việc in Khoảng nhiệt độ để chocolate đạt trạng thái thích hợp in 32 °C Khi nhiệt độ đạt ổn định, tiến hành mở máy bắt đầu in 92 Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy in 3D chocolate 4.2 Vật liệu thực phẩm chocolate 4.2.1 Giới thiệu Chocolate làm từ hạt ca-cao sấy khô nghiền nhỏ Chocolate hỗn hợp ca-cao bơ ca-cao, cho thêm đường, sữa chất khác vào, cuối đóng thành dạng 4.2.2 Phân loại chocolate Chocolate đắng, hay bột chocolate loại chocolate nguyên chất, đậm mùi có vị đắng tự nhiên ca-cao Sau trộn với đường, nguyên liệu sản phẩm bánh có chứa chocolate khác bánh ngọt, bánh quy Chocolate đen chocolate không pha lẫn sữa, đơi cịn gọi "chocolate nguyên chất" Chính phủ Hoa Kỳ quy định phải có 10% chất chocolate đặc, cịn châu Âu quy định 35% Chocolate sữa chocolate pha lẫn với bột sữa hay sữa đặc nhằm tạo vị Chính phủ Mỹ quy định phải có 10% chất chocolate đặc, cịn EU quy định 25% chocolate vừa thường dùng nấu ăn [16] Nó chocolate đen với hàm lượng đường cao bên Chocolate đắng loại chocolate chứa đường, nhiều bơ ca-cao hơn, chứa thêm lecithin vani Nhiều hãng sản xuất thường ghi bao bì hàm lượng ca-cao chứa bên có quy luật sau: “càng nhiều ca-cao chocolate đắng” Couverture loại chocolate chứa nhiều bơ ca-cao Những loại có chứa nhiều ca-cao (hơn 70%) có hàm lượng chất béo cao (30-40%) [16] Chocolate trắng bơ ca-cao pha chế mà khơng có ca-cao đặc Bột ca-cao loại ca-cao đặc gần nguyên chất mà khơng có bơ ca-cao Bột ca-cao có màu nhạt, có tính axit mùi chocolate mạnh 4.3 Nhiệt độ lý tưởng để in chocolate Bảng So sánh nhiệt độ in chocolate [17] Nhiệt độ chocolate Trạng thái ≤ 30 Khô rắn Không thể in 32 Sệt Khả in tốt dễ tạo thành khối Chocolate đông cứng nhanh thổi khí lạnh Yêu cầu cung cấp nhiều xung để kéo xy lanh 34 Nhão Có khả tạo khối dễ bị sập lên lớp cao Chocolate đơng cứng chậm thổi khí lạnh u cầu cung cấp xung vừa phải ≥ 34 Lỏng Khó dựng hình dễ bị chảy xung quanh Chocolate khơng thể đơng cứng in Khó canh chỉnh tốc độ động Khả in Khả làm lạnh Ảnh hưởng đến động Qua Bảng so sánh nhiệt độ in chocolate, nghiên cứu chọn nhiệt độ in phù hợp 32 °C 4.4 Bảo quản máy in 3D chocolate Trong điều kiện thời tiết khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa Việt Nam, việc bảo quản bảo dưỡng máy in 3D chocolate cần thiết Do đó, việc nắm vững số yêu cầu trình sử dụng việc bảo quản máy in 3D chocolate không làm cho máy 93 Nguyễn Trần Phong, Võ Phúc Việt, Lê Duy Trọng, Nguyễn Huy Hoàng, Phạm Văn Toàn… hoạt động tốt, mà kéo dài tuổi thọ tiết kiệm chi phí sử dụng máy Dưới số cách giúp máy hoạt động bền bỉ ổn định hơn: Vị trí đặt máy: Đặt nơi phẳng, thơng thống, dây điện, mạch điện gọn gàng, tránh xa tầm tay trẻ em Đặc biệt tránh xa ánh nắng mặt trời trực tiếp để tránh làm biến dạng sản phẩm trình làm việc chocolate tan chảy nhiệt độ từ 32 °C, yếu tố quan trọng làm giảm chất lượng sản phẩm giảm tuổi thọ máy Vệ sinh máy: Vệ sinh máy sau làm việc xong để tránh bụi bẩn bám vào, lượng chocolate sau in xong vướng vãi Ngồi ra, khơng nên để máy in ngừng hoạt động lâu, tuần cho máy in lần Bảo trì, bảo dưỡng: Căng dây đai tháng lần máy thường xuyên hoạt động, vệ sinh kim phun sau lần sử dụng Tra dầu mỡ thường xuyên để máy hoạt động trơn tru Lựa chọn nguyên liệu chocolate phù hợp: Chọn nguyên liệu in việc quan trọng bảo quản, bảo dưỡng máy in 3D chocolate Bởi chọn loại chocolate chất lượng không làm tắc nghẽn đầu đùn mà làm sản phẩm in không ý cấu tạo loại chocolate khác nhau, nên chọn loại chocolate KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, vận hành thử nghiệm máy in 3D chocolate Kết cấu khí nhỏ gọn hoạt động ổn định Nguyên liệu nhân tố quan trọng góp phần vào thành cơng cho máy in 3D thực phẩm Chocolate sử dụng để kiểm chứng mơ hình máy thiết kế chế tạo Đối với chocolate, nhiệt độ phù hợp để in chocolate khoảng 33-35 °C Trải qua trình in thử kiểm tra độ bền cho thấy máy hoạt động ổn định, chi tiết khí vận hành tốt, hệ thống điện tử hoạt động tốt cịn có số lỗi phần mềm Các sản phẩm hoàn thành từ 2D đến 3D Hình 12 máy in 3D thực phẩm thực tế thiết kế chế tạo Hình 12 trình bày hướng nhìn máy in 3D chocolate, thể rõ nguyên lý truyền đồng sử dụng truyền đai cấu vít me đai ốc bi Hình 12 Máy in 3D chocolate chế tạo thực tế Hình 13 Sản phẩm in 3D chocolate 94 Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy in 3D chocolate Chocolate in nhiệt độ 45 °C cho thấy nhiệt độ chưa phù hợp với chocolate, khiến đường biên bị biến dạng, chảy xệ đè lên lớp in (Hình 13) Hình 13 cho thấy sản phẩm chưa đạt yêu cầu ảnh hưởng nhiều yếu tố nhiệt độ, chiều dày lớp in, chế độ làm khô chocolate sau in, cấu trúc đỡ phụ… Chocolate chưa khô nhanh dẫn đến kết cấu sản phẩm không bền vững, độ bền khơng cao chưa có tính thẩm mỹ cho sản phẩm Hình 14 Sản phẩm in 3D chocolate Qua nghiên cứu thực nghiệm nhiệt độ tốt để in 3D chocolate (được đo đầu in) 32-36 °C Tốc độ in ảnh hưởng lớn đế chất lượng sản phẩm Tốc độ phù hợp khoảng m/phút Hình 14 thể sản phẩm chocolate có hình dạng mẫu mã cải tiến nhiều in 35 °C Máy in 3D thực phẩm chế tạo tạo sản phẩm có độ bóng bề mặt đạt yêu cầu đặt nhóm nghiên cứu Máy phần giải vấn đề tạo hình 3D cho chocolate, thay dần việc sử dụng khn để tạo hình cho chocolate Đây bước tiên phong, tạo tảng kiến thức ban đầu để tiếp tục nghiên cứu phát triển nhiều nhằm cải tiến chất lượng máy sản phẩm in Đối với máy in chế tạo, máy có ưu điểm in sản phẩm có độ xác tương đương với yêu cầu vẽ Các sản phẩm tạo tương đối ổn định, đường lớp (layer) khơng có tượng chảy xệ, đổ sập in chi tiết có chiều cao 40 cm Tất chi tiết gia cơng nhơm có độ dày lớn giúp hệ thống khí có độ cứng vững cao, chịu chấn động trình in, giúp cho đường in khơng bị lệch q trình in Vì gia cơng nhơm nên tránh tình trạng gỉ sét, oxy hóa ảnh hưởng tới độ bền máy tính thẩm mỹ Các thành phần máy thân thiện với môi trường, phản ứng gặp nhiệt độ cao đảm bảo tính vệ sinh an tồn thực phẩm Phần điều khiển xác với yêu cầu thiết kế, hệ thộng điện tử hoạt động xác, điều khiển hệ thống khí vận hành cách hiệu Máy hoạt động tương đối ổn định, gọn nhẹ giúp dễ dàng vận chuyển từ nơi sang nơi khác Máy có tủ điện tách rời dễ thay linh kiện điện tử có cố Các đường dây điện quấn cách gọn gàng tránh ảnh hưởng trình in Tuy nhiên, máy chế tạo tồn nhiều nhược điểm cần cải tiến phần điện tử hay có lỗi trình in, đùn hoạt động chưa thực hiệu hiệu chỉnh nhiều thời gian trình chuẩn bị Trong thời gian máy hoạt động tiếp thêm nguyên liệu chocolate vào, khiến cho máy in chi tiết có kích thước nhỏ phù hợp với lượng chocolate có sẵn xylanh Trong trình in, in nhanh lớp in chưa chuyển sang trạng thái rắn, lỏng khiến cho kết cấu sản phẩm không cứng vững giảm tính thẩm mỹ Do vậy, hệ thống cần có thiết bị làm lạnh đưa chocolate nhiệt độ 16 °C để khắc phục tượng Trong xylanh cịn có tượng bọt khí ảnh hưởng lớn đến q trình in tính thẩm mỹ máy Các bọt khí khiến cho chocolate ép cách không đều, chạy vài lớp in vật liệu chocolate khơng khỏi đầu đùn Q trình chuẩn bị cịn nhiều thời gian trải qua nhiều công đoạn Hiện tại, nghiên cứu chưa thể tìm kiếm loại chocolate ổn định q trình in Nghiên cứu cịn hạn chế chỗ máy in 3D thực phẩm in 95 Nguyễn Trần Phong, Võ Phúc Việt, Lê Duy Trọng, Nguyễn Huy Hoàng, Phạm Văn Toàn… chocoalate mà chưa in loại vật liệu khác để tăng tính đa dạng linh hoạt cho sản phẩm nhằm đáp ứng nhu cầu khách hàng KẾT LUẬN Nghiên cứu trình bày quy cách thiết kế, chế tạo máy in 3D thực phẩm chocolate, quy trình trải qua nhiều giai đoạn: từ việc xác định loại chocolate phù hợp, thiết kế hệ thống khí cho đảm bảo độ cứng vững hoạt động ổn định đến phần điều khiển điện Nghiên cứu cách sử dụng phần mềm để điều khiển máy in 3D chocolate đề cập Tất góp phần tạo nên máy in 3D chocolate hồn chỉnh mặt thiết chế tạo vận hành Máy in 3D thực phẩm chế tạo, vận hành, thử nghiệm in xác định nhiệt độ chocolate phù hợp để in tạo mẫu sản phẩm 35 °C Quy trình thơng số tạo tệp *STL xác định nhằm hỗ trợ người thiết kế tạo mẫu tốt Ngoài ra, nghiên cứu cịn đề xuất quy trình bảo quản máy in 3D thực phẩm Với nội dung trình bày trên, máy in 3D với nguyên liệu chocolate cho thấy máy có nhiều tiềm ứng dụng thực tế đặc biệt thị trường Việt Nam vừa đề cập thời gian gần Tương lai nghiên cứu sẽ: (1) phát triển hệ thống cấp liệu chocolate để vừa in vừa nạp chocolate giúp in chi tiết lớn hơn; (2) thay đổi hệ thống đầu đùn trở nên gọn nhẹ hiệu hơn; (3) gia công xylanh khác chuyên dùng cho chocolate để chịu nhiệt độ cao hơn; (4) nghiên cứu để máy in nhiều loại vật liệu khác không giới hạn chocolate; (5) máy in nhiều chi tiết phức tạp, tăng ổn định tính đồng đường lớp in; (6) thiết kế hệ thống làm lạnh để chocolate đông nhanh tạo độ vững cho chi tiết in 3D; (7) nghiên cứu phương pháp để bơm chocolate vào xylanh cách đơn giản rút ngắn thời gian chuẩn bị TÀI LIỆU THAM KHẢO Blog in 3D - Lược sử in 3D: Từ hy vọng thời đại 4.0 (truy cập ngày 10/12/2019 https://blogin3d.com/luoc-su-cong-nghe-in-3d.html.) Thu Thảo - hay mà cơng nghệ in 3D làm năm 2018, Báo Thanh niên 10/12/2018 (truy cập https://thanhnien.vn/cong-nghe/5-mon-hay-nhat-macong-nghe-in-3d-lam-duoc-nam-2018-1036700.html.) Dankar I., Haddarah A., Omar F.E.L., Sepulcre F., Pujolà M - 3D printing technology: The new era for food customization and elaboration, Trends in Food Science & Technology 75 (2018) 231-242 MesLab - Sự phát triển công nghệ in 3D giới Việt Nam (2019) (truy cập https://meslab.vn/su-phat-trien-cua-cong-nghe-in-3d-tren-the-gioi-va-viet-nam.) In 3D Việt Nam: Vẫn mang tính thử nghiệm, Báo điện tử Chính phủ (2017) (truy cập tại: http://baochinhphu.vn/Khoa-hoc-Cong-nghe/In-3D-o-Viet-Nam-Vanchi-mang-tinh-thu-nghiem/317783.vgp) Lanaro M., Forrestal D.P., Scheurer S., Slinger D.J., Liao S., Powell S.K., Woodruff M.A - 3D printing complex chocolate objects: Platform design, optimization and evaluation, Journal of Food Engineering 215 (2017) 13-22 Mantihal S., Prakash S., Godoi F.C., Bhandari B - Optimization of chocolate 3D printing by correlating thermal and flow properties with 3D structure modeling, Innovative Food Science & Emerging Technologies 44 (2017) 21-29 Godoi F.C., Prakash S., Bhandari B.R - 3D printing technologies applied for food design: Status and prospects, Journal of Food Engineering 179 (2016) 44-54 96 Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy in 3D chocolate Takagishi K., Suzuki Y., Umezu S - The high precision drawing method of chocolate utilizing electrostatic ink-jet printer, Journal of Food Engineering 216 (2018) 138-143 10 Mantihal S., Prakash S., Bhandari B - Textural modification of 3D printed dark chocolate by varying internal infill structure, Food Research International 121 (2019) 648-657 11 Lanaro M., Desselle M.R., Woodruff M.A - Chapter - 3D Printing Chocolate: Properties of formulations for extrusion, sintering, binding and ink jetting, in Godoi F., Zhang M., Prakash S., Bhandari B (Eds.) - Fundamentals of 3D food printing and applications, Academic Press, UK (2019) 151-173 12 3dprinter - Tự làm máy in 3D printer cấu tạo máy in 3D, 3dmaker (2015) (truy cập tại: http://www.3dmaker.vn/2015/08/tu-lam-may-in-3d-printer-nhuthe-nao/) 13 Linhkien3d - Những linh kiện cần để tự ráp máy in 3D (2015) (truy cập tại: http://www.linhkien3d.com/2015/08/nhung-linh-kien-nao-can-de-tu-rap-may-in-3d/) 14 Wikiwand - Lịch sử máy in 3D (truy cập từ: https://www.wikiwand.com/vi/Prusa_i3#/ overview) 15 Technologymag - So sánh loại máy in 3D (2017) (truy cập tại: https://www.technologymag.net/so-sanh-cac-loai-may-in-3d/) 16 Wikipedia - Sô-cô-la (truy cập tại: https://vi.wikipedia.org/wiki/Sô-cô-la) 17 Nguyễn Vũ Quỳnh, Võ Quang Thu, Phạm Ngọc Việt, Quách Minh Sang - Thiết kế cải tiến đầu đùn socola cho máy in thực phẩm 3D, Khoa Cơ điện - Điện tử, Trường Đại học Lạc Hồng (2016) (truy cập tại: https://123doc.net/document/4350304-thietke-cai-tien-dau-dun-socola-cho-may-in-thuc-pham-3d.htm) ABSTRACT RESEARCH, DESIGN AND MANUFACTURE OF CHOCOLATE FOOD 3D PRINTER Nguyen Tran Phong, Vo Phuc Viet, Le Duy Trong, Nguyen Huy Hoang, Pham Van Toan, Nguyen Huu Tho* Ho Chi Minh City University of Food Industry *Email: tho.nh@hufi.edu.vn The 3D printing industry is a trend of the industrial revolution 4.0 and the trend of the future, gradually replacing the manufacture of products from simple to complex with just a few small steps In recent years, the application of 3D printing technology in food has been attracting many researchers, especially in the field of food science In Vietnam, this field has not been paid much attention Therefore, this research seeks the existing foundations and wants to create a product that initially applies 3D printing technology in chocolate foods This paper proposes mechanical and control structures for chocolate 3D printers for dining and decoration through summarizing conceptualization, computation and design, fabrication, assembly and experimental investigation The results of printed samples of chocolate foods highlighed that the designed machine is capable of satisfying chocolate pattern, which is suitable for the design shape from CAD software Keywords: 3D printing technology, 3D printer, chocolate, food 97 .. .Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy in 3D chocolate thực phẩm máy in 3D chocolate hướng góp phần vào cơng đổi theo thời đại cơng nghiệp 4.0 Vì vậy, nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy in 3D chocolate. .. khiển điện Nghiên cứu cách sử dụng phần mềm để điều khiển máy in 3D chocolate đề cập Tất góp phần tạo nên máy in 3D chocolate hoàn chỉnh mặt thiết chế tạo vận hành Máy in 3D thực phẩm chế tạo, vận... nhìn máy in 3D chocolate, thể rõ nguyên lý truyền đồng sử dụng truyền đai cấu vít me đai ốc bi Hình 12 Máy in 3D chocolate chế tạo thực tế Hình 13 Sản phẩm in 3D chocolate 94 Nghiên cứu, thiết kế