CFRR – Thiết kế bộ lọc sử dụng trên máy espresso nhằm nâng cao dung lượng cà phê espresso được tạo thành
Dựa trên đề tài thiết kế và thử nghiệm bộ lọc sử dụng trên máy espresso theo phương pháp VDI 2221 của tác giả Lina và cộng sự (2022), CFRR mô tả phần thực nghiệm diễn ra và kết quả thu được sau khi thực hiện các phương án và giải pháp trong nghiên cứu được trình bày trong bài phân tích này.
Giới thiệu
Indonesia là một trong những quốc gia sản xuất cà phê lớn trên thế giới, sau Brazil và Việt Nam. Năm 2015, diện tích trồng cà phê ở Indonesia đạt hơn 1.24 triệu ha, trong đó 933 ha là trồng robusta và 307 ha là trồng arabica. Indonesia đã tăng diện tích trồng cây nhằm nâng cao sản lượng và đặt mục tiêu trong 10 năm tới sẽ đạt từ 900 nhìn tấn đến 1.2 triệu tấn mỗi năm. Nhiều loại cà phê được sản xuất ở Indonesia, các máy pha cà phê espresso thường được sử dụng trong nhà hàng và quán cà phê bán tự động vì máy có thể tạo ra đặc tính cà phê espresso tối đa. Tuy nhiên, vấn đề với chiếc máy này nằm ở bộ lọc của nó, chỉ có thể tạo ra hai tách espresso trong một lần pha. Để khắc phục được vấn đề này thì có thể sử dụng nhiều hơn một đầu pha nhưng máy càng có nhiều head group thì máy càng đắt tiền. Từ những vấn đề vừa nêu, Lina và cộng sự (2022) đã có nghiên cứu về thiết kế portafilter mới với công suất lớn hơn.
Phương pháp
Nghiên cứu được bắt đầu bằng cách xác định chủ đề và tiêu đề trước. Việc xác định chủ đề dựa trên các vấn đề quan sát được trong một sản phẩm. Sau đó, nghiên cứu được tiếp tục bằng cách xác định vấn đề có trong sản phẩm. Ở giai đoạn này, ranh giới của vấn đề có trong sản phẩm đang nghiên cứu được xác định. Sau khi xác định ranh giới của vấn đề, bước tiếp theo là hình thành vấn đề. Từ những vấn đề đã được xây dựng, mục tiêu nghiên cứu cũng sẽ được xác định. Giai đoạn tiếp theo là nghiên cứu dẫn chứng. Ở giai đoạn này, các nghiên cứu đã kiểm chứng sẽ được thực hiện để giải đáp các vấn đề có trong nghiên cứu. Nghiên cứu tài liệu được thực hiện để so sánh nghiên cứu này với nghiên cứu hiện có. Sau khi nghiên cứu tài liệu, giai đoạn tiếp theo là thu thập dữ liệu. Dữ liệu được lấy phải dựa trên mục đích của nghiên cứu. Nếu dữ liệu lấy đủ sẽ chuyển sang giai đoạn tiếp theo. Nếu dữ liệu được lấy vẫn còn thiếu, hãy quay lại giai đoạn trước.
Hơn nữa, dữ liệu được xử lý dựa trên lý thuyết định trước. Dữ liệu được xử lý để tìm ra kết quả còn thiếu và tiến hành ứng biến. Kết quả xử lý dữ liệu sẽ đề cập đến tính khả thi của một nguyên mẫu. Dữ liệu đã được xử lý sẽ được tạo ra một thiết kế ban đầu hoặc một thiết kế sản phẩm mới. Thiết kế sẽ được phát triển cho đến khi nó được tuyên bố là khả thi để hiện thực hóa sản phẩm. Các sản phẩm đã được công bố đủ điều kiện sẽ được đưa vào hiện thực hóa sản phẩm để phân tích sự phát triển của các sản phẩm này.
Hơn nữa, sản phẩm đã được hiện thực hóa sẽ được phân tích và nghiên cứu những thay đổi về dữ liệu và ứng biến từ sản phẩm trước đó. So sánh sản phẩm sau đó được ghi lại để kết luận kết quả của nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu được trình bày như sau:
Đánh giá nghiên cứu
Kỹ thuật đảo ngược
Kỹ thuật đảo ngược là trích xuất kiến thức hoặc thiết kế từ bất kỳ sản phẩm nào do con người tạo ra. Kỹ thuật đảo ngược được tiến hành để có được kiến thức, ý tưởng và thiết kế còn thiếu khi không có thông tin đó. Có bốn giai đoạn trong kỹ thuật đảo ngược:
Sản phẩm tháo rời
Hoạt động này được thực hiện để xác định các thành phần của một thiết kế. Kết quả tháo rời sẽ được kiểm tra để xác định chức năng của từng thành phần.
Đo điểm chuẩn
Đo điểm chuẩn là một giai đoạn so sánh sản phẩm. Các sản phẩm tương tự sẽ được so sánh dựa trên ưu điểm và nhược điểm của chúng.
Lập kế hoạch thiết kế mới
Kết quả của nghiên cứu này được tính toán trong các giai đoạn trước và thiết kế mới xuất hiện từ ý tưởng mới.
Tạo mẫu
Từ kết quả của thiết kế được thực hiện, một mẫu thử nghiệm sẽ được thực hiện để tìm ra công dụng của thiết kế sản phẩm mới. Việc tạo mẫu được thực hiện để tìm ra ưu điểm của sản phẩm so với sản phẩm trước đó.
Verein Deutcher Ingenieure 2221 (VDI 2221)
VDI 2221 đã đề xuất một cách tiếp cận chung cho việc thiết kế các hệ thống kỹ thuật và sản phẩm nhấn mạnh khả năng áp dụng chung của cách tiếp cận này trong các lĩnh vực cơ khí, độ chính xác, điều khiển, phần mềm và kỹ thuật quy trình (Pahl, W. Beitz, Jörg Feldhusen, Lucienne T. M. Blessing, & Karl-Heinrich Grote, 2007). Có bốn giai đoạn trong phương pháp VDI 2221.
Làm rõ nhiệm vụ
Ở giai đoạn này, thông tin hoặc dữ liệu được thu thập liên quan đến các yêu cầu mà thiết kế sản phẩm đáp ứng. Giai đoạn này tạo ra các yêu cầu hoặc thông số kỹ thuật của sản phẩm. Các công cụ được sử dụng ở dạng danh sách kiểm tra.
Thiết kế mẫu
Ở giai đoạn này, hãy thảo luận vấn đề, cấu trúc nghiên cứu và sau đó tìm cách giải quyết vấn đề. Giai đoạn này giải quyết vấn đề hoặc khái niệm cơ bản.
Thiết kế phương án
Giai đoạn này là bước tiếp tục của việc xác định khái niệm sản phẩm. Bản phác thảo của giải pháp thu được từ bài toán ban đầu được lựa chọn dựa trên các điều kiện của các thông số kỹ thuật. Bản phác thảo này sẽ trở thành hiện thân của thiết kế (bố cục tiêu chuẩn).
Thiết kế chi tiết
Giai đoạn này tạo ra một thiết kế chi tiết dưới dạng tệp bao gồm bản vẽ chi tiết sản phẩm, danh sách thành phần, thông số kỹ thuật vật liệu, dung sai và các tệp khác trong đó tệp là một đơn vị duy nhất. Từ những kết quả này, việc đánh giá lại sản phẩm sẽ được thực hiện.
Thiết kế và đánh giá sản phẩm
Thiết kế là nỗ lực tạo ra những thứ mới hữu ích cho cuộc sống con người. Trong khi phát triển là một chuỗi các hoạt động bắt đầu từ việc phân tích nhận thức và cơ hội của thị trường, sau đó kết thúc bằng sản xuất, kinh doanh và cung cấp sản phẩm cho người tiêu dùng (Irawan, 2017).
Pha cà phê espresso (Espresso making)
Espresso là phương pháp cho dòng nước nóng được tạo áp suất và thấm nhanh khoảng 20-30 giây qua lớp cà phê xay để chiết xuất các hợp chất từ cà phê (Racineux & Chung-Leng Tran, 2019). Espresso có vị đậm đà và hương thơm đặc trưng mà người dùng có thể cảm nhận được hương vị thực sự của cà phê. Ngoài ra, espresso cũng được dùng làm nền cho các loại đồ uống khác như cappuccino, latte,…
Xay
Xay cà phê nhằm làm mịn hạt cà phê để dễ dàng chiết xuất các chất vào trong nước. Quá trình này xảy ra do va chạm, cắt và ma sát với hạt cà phê (Coffee and cocoa training center, 2018), sau đó hạt cà phê sẽ được đưa vào bộ lọc portafilter.
Tamping
Sau khi hạt cà phê xay đã nằm trong bộ lọc portafilter, sẽ được nén chặt bằng cách sử dụng phương pháp tamping, để nước có thể thấm kỹ vào chất rắn để cà phê được chiết xuất một cách tối ưu.
Chiết xuất
Cà phê được nén trong bộ lọc portafilter sẽ được đưa vào máy pha cà phê espresso bằng cách gắn bộ lọc qua cổng, quá trình chiết xuất cà phê được thực hiện trong khoảng 20 đến 30 giây.
Theo Omden (2020) chiết xuất được phân loại như sau:
- Under extraction là quá trình chiết xuất cà phê trong thời gian ngắn, các chất trong hạt cà phê không được chiết xuất tối đa.
- Perfect shot là quá trình chiết xuất cà phê được thực hiện vào thời điểm tối ưu, cà phê được chiết xuất ở mức tối đa, các hợp chất mùi thơm và hương vị được hòa quyện đồng đều.
- Over extraction là quá trình chiết xuất được thực hiện trong thời gian dài. Việc chiết xuất này làm cho cà phê mất đi độ đậm đặc và xuất hiện các hương vị tiêu cực.
Kết quả
Thiết kế
Phương pháp VDI 2221
Phương pháp VDI 2221 được thực hiện để có được giải pháp tối ưu của vật liệu được sử dụng. Các thông số kỹ thuật ban đầu của bộ lọc cổng có thể được xem trong bảng dưới đây:
Chú thích:
D: nhu cầu là một thông số kỹ thuật phải được đáp ứng
W: là thông số kỹ thuật mong đợi
Có 72 phương án được thực hiện trong ba giải pháp được lựa chọn về các vật liệu chức năng có thể xem trong bảng bên dưới
Chú thích:
A1: Alternative 1: phương án 1 = 1-2, 2-1, 3-1, 4-1
A2: Alternative 2: phương án 2 = 1-1, 2-2, 3-2, 4-2
A3: Alternative 3: phương án 3 = 1-3, 2-2, 3-2, 4-3
Từ ba phương án đã được lựa chọn để xác định giải pháp tốt nhất, các công cụ được sử dụng để thử nghiệm và dựa trên kết quả thu được thì khái niệm đáp ứng các tiêu chí trong thiết kế bộ lọc được lựa chọn thực hiện đầu tiên.
Kích thước của giỏ lọc (basket) và đầu lọc (head) được tăng chiều cao thêm 10mm, lượng cà phê xay có thể chứa được sẽ tăng lên 10 gam so với tổng lượng tối đa trước khi sửa đổi.
Lắp ráp
Sau khi đã xác định được từng thành phần của portafilter, bước tiếp theo là kết hợp các thành phần này lại với nhau. Quá trình lắp ráp sẽ khác với trước khi nó được sửa đổi. Bản đồ lắp ráp được mô tả như hình bên dưới:
Kiểm tra hiệu suất của portafilter
Trong bài kiểm tra hiệu suất của portafilter, thiết kế sửa đổi được thử nghiệm để pha cà phê với tỷ lệ 1: 2, là loại bột 20 gram có thể pha cà phê espresso lên đến 40 gram. Các biến cần kiểm tra là thời gian của dòng chảy đầu tiên, thời gian pha và tổng sản lượng cà phê espresso. Kết quả kiểm tra máy pha cà phê espresso trước khi sửa đổi như bảng sau:
Sau khi kiểm tra portafilter đạt được trước khi được sửa đổi, kiểm tra tiếp tục trên portafilter sau khi được sửa đổi. Số lượng được chia tỷ lệ để kiểm tra bộ lọc cổng vẫn như cũ. Kết quả của thử nghiệm có thể được xem trong bảng sau:
Sự khác biệt giữa hai kết quả là áp suất, tổng sản lượng trên mỗi portafilter và tổng khối lượng được tạo ra trong bảng trên. Thanh áp tăng do khối lượng tăng. Khi tăng áp suất, thời gian dòng chảy trở nên nhanh hơn. Nó làm cho thời gian ủ hầu như không có sự khác biệt khi khối lượng bột tăng lên. Tuy nhiên, sản lượng cà phê espresso tăng lên. Do đó, việc tăng công suất và số lượng vòi rót có thể giảm thời gian chờ đợi và tăng năng suất máy pha cà phê espresso. Một số yếu tố có thể gây ra một số lỗi xảy ra trong quá trình thử nghiệm như tamping quá yếu hoặc quá cứng, quá nhiều khối lượng bột do cân không chính xác và kích thước hạt xay không đồng đều. Kết quả kiểm tra portafilter có thể xem trong bảng sau:
Từ kết quả thu được có thể thấy số lượng cà phê espresso được tạo thành tăng lên sau thiết kế mới. Màu sắc của cà phê espresso được tạo ra giống nhau bằng cách nhìn vào sự tương đồng của các kết quả. Tuy nhiên, trong thử nghiệm này, hương vị tối ưu của cà phê espresso và mức độ cô đặc không được xem xét vì không có công cụ để kiểm tra độ chính xác của hương vị và nồng độ.
Kết luận và đề xuất
Kết luận
Từ kết quả nghiên cứu trên, có thể kết luận như sau:
- Thiết kế đã chọn đã được sửa đổi bằng cách tăng chiều cao đầu lọc và giỏ lọc lên 10 mm. Tổng công suất tăng 10 gam.
- Từ kết quả của việc áp dụng phương pháp VDI 2221, thiết kế bộ lọc cổng thu được sử dụng nhôm và một tay cầm bằng gỗ. Kết quả này được chọn vì nó có các thành phần an toàn để pha cà phê, bền, và giá thấp.
- Bằng cách tăng công suất của bộ lọc cổng, áp suất của máy pha cà phê espresso phải được tăng lên để có được thời gian dòng chảy cân bằng.
- Bằng cách sử dụng tỷ lệ 1: 2 làm tiêu chuẩn, sản lượng cà phê espresso tăng lên do khối lượng bột.
- Thời gian chờ đợi để pha cà phê espresso gần như giống nhau giữa hai bộ lọc cổng. Tuy nhiên, tổng sản lượng được tạo ra nhiều hơn bộ lọc cổng trước khi được sửa đổi.
Đề xuất
Các đề xuất từ nghiên cứu phát triển portafilter này như sau:
- Có thể thực hiện nghiên cứu để tìm ra thời điểm pha cà phê espresso hiệu quả nhất.
- Có thể sửa đổi số lượng vòi hiện có và tác động của chúng.
- Tăng công suất của portafilter bằng cách tăng đường kính của portafilter và thiết kế tamper mới theo kích thước của bộ lọc cổng.
- Kiểm tra tay cầm của bộ lọc cổng và tác động của nó.
- Tăng số lượng lỗ trên giỏ lọc hoặc giảm chúng để tìm ra tác động.
- Nghiên cứu tiếp theo có thể được sử dụng để tìm SOP tối ưu cho hương vị và nồng độ với việc bổ sung dung tích portafilter.
Nguồn tham khảo
Andreas, W. (2021). Modifikasi Mesin Seduh Kopi Dual Group Head dengan Menggunakan Metode Reverse Engineering dan VDI 2221. Jakarta: Universitas Tarumanagara.
Atmadja, C. J., Daywin, F. J., Gozali, L., Doaly, C. O., & Irawan, A. P. (2021). Improving the Capacity of Espresso Machine Using Reverse Engineering Method and VDI 2221 Method. Proceedings of the 11th Annual International Conference on Industrial Engineering and Operations Management, 1-13.
Coffee and Cocoa Training Center. (2018, 10 25). Penggilingan Biji Kopi Sangrai. (Coffee and Cocoa Training Center) Retrieved Agustus 22, 2021, from CCTCID: https://www.cctcid.com/2018/10/25/penggilingan-biji- kopi-sangrai/
Eilam, E. (2011). Reversing: Secrets of Reverse Engineering. Jerman: Wiley.
Irawan, A. P. (2017). Perancangan dan Pengembangan Produk Manufaktur. Yogyakarta: ANDI.
Lina Gozali, Frans Jusuf Daywin. 2022. Product design and experiment on espresso machine portafilter using reverse engineering and VDI 2221 methods.
Marconi, M., Germani, M., Mandolini, M., & Favi, C. (2018). Applying Data Mining Technique to Disassembly Sequence Planning: A Method to Assess Effective Disassembly Time of Industrial Products. International Journal of Production Research, 1-25.
Mawardi, I., Nurdin, & Zulkarnaini. (2019). Appropriate Technology Program of Postharvested Coffee: Production, Marketing, and Coffee Processing Machine Business Unit. Indonesian Journal of Community Engagement, 267-283.
Omden. (2020, 1 21). Espresso. (Penikmat Kopi) Retrieved Agustus 22, 2021, from penikmat kopi: https://penikmatkopi.id/2020/01/21/espresso/
Pahl, G., W. Beitz, Jörg Feldhusen, Lucienne T. M. Blessing, & Karl-Heinrich Grote. (2007). Engineering Design: A Systematic Approach. Jerman: Springer London.
Racineux, S., & Chung-Leng Tran. (2019). Coffee: It’s Not Rocket Science: A Quick & Easy Guide to Brewing, Serving, Roasting & Tasting Coffee. Britania Raya: Octopus.
Sugiyono. (2017). Statistika Untuk Penelitian. Bandung: Alfabeta.
Twin, A. (2021, September 10). Market Research. (Investopedia) Retrieved November 11, 2021, from https://www.investopedia.com/terms/m/market-research.asp
Viani, R. (2005). Espresso Coffee: The Science of Quality. Jerman: Elsevier Science.
Yuliandari, M. T. (2015, 12 19). Sekilas tentang Tamping Espresso. (Otten Coffee) Retrieved Agustus 22, 2021, from Otten Magazine: https://majalah.ottencoffee.co.id/sekilas-tentang-tamping-espresso/
Zhang, H. (2017). Development of Cost Management and Aided Decision System for Casting Enterprises Based on ERP. WCSN, 1-5.
