Ảnh hưởng các thông số công nghệ chính đến chất lượng mối hàn siêu âm đối với vải không dệt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ QUANG THÀNH ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ CƠNG NGHỆ CHÍNH ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN SIÊU ÂM ĐỐI VỚI VẢI KHÔNG DỆT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ QUANG THÀNH ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CHÍNH ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN SIÊU ÂM ĐỐI VỚI VẢI KHƠNG DỆT Chun ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số chuyên ngành: 62520103 Phản biện độc lập: PGS TS Đỗ Thành Trung Phản biện độc lập: PGS TS Lê Thanh Danh Phản biện: PGS TS Trương Nguyễn Luân Vũ Phản biện: PGS TS Lương Hồng Sâm Phản biện: PGS TS Lê Thể Truyền NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS TS Nguyễn Hữu Lộc PGS TS Nguyễn Thanh Hải LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu, hướng dẫn PGS TS Nguyễn Hữu Lộc PGS TS Nguyễn Thanh Hải Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Lê Quang Thành i TÓM TẮT LUẬN ÁN Các nghiên cứu phân tích ứng dụng hàn siêu âm việc hàn vật liệu nhựa nhiệt dẻo thực từ lâu giới trường đại học, viện công ty Hàn siêu âm sử dụng chủ yếu đóng gói bao bì ưu điểm sau: hàn siêu âm cơng nghệ sạch, tiêu tốn lượng, suất cao, khơng cần cơng nhân trình độ cao, đặc biệt tự động hóa dễ dàng Tuy nhiên nghiên cứu hàn siêu âm thực ngồi nước cịn số hạn chế, đặc biệt việc nghiên cứu ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đến q trình hàn hầu hết thực riêng lẻ, chưa có đánh giá tổng quan mức độ hiệu tồn q trình hàn Để nghiên cứu hàn siêu âm, luận án tiến hành nghiên cứu nhựa nhiệt dẻo khả hàn nhựa nhiệt dẻo Cơ sở lý thuyết hàn siêu âm hệ siêu âm (gồm nguồn hàn siêu âm, chuyển đổi từ dao động điện sang dao động cơ, khuếch đại dao động, cách tính tốn thiết kế loại khuôn hàn siêu âm vùng định hướng lượng cho đường hàn siêu âm) tập trung nghiên cứu Các thông số công nghệ trình hàn siêu âm bao gồm: tần số hàn siêu âm, biên độ hàn siêu âm, thời gian hàn, áp lực hàn, hình dáng đường hàn phân tích trình bày luận án Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, loại đường hàn khác nhau, luận án thu phương trình hồi quy để xác định độ bền kéo đứt tối ưu đường hàn, từ tính tốn trình sản xuất đáp ứng nhu cầu thực Từ yêu cầu suất độ bền kéo đứt đường hàn, luận án xác định thời gian hàn áp lực hàn cần thiết cho trình hàn phù hợp với điều kiện thiết bị máy có ii ABSTRACT The research and analysis of ultrasonic welding applications for the welding of thermoplastic materials have been carried out for a long time in the world by universities, research institutes, and companies Ultrasonic welding is mainly used in packaging because of its advantages, including being clean technology, consuming less energy, being high productivity, requiring no highly qualified workers, and being easily automated However, the current research on ultrasonic welding done in Vietnam and overseas countries still has some limitations The study of the influence of technological parameters on the welding process is mostly done individually, and there is no overall assessment as well as the effectiveness of the entire welding process To study ultrasonic welding, research on thermoplastics and the weldability of thermoplastics has been conducted The theoretical basis of ultrasonic welding and ultrasonic system, including ultrasonic welding source, converter from the electric oscillator to the motor oscillator, oscillator amplifier, calculation and design of ultrasonic welding molds, and the energy-directed region for ultrasonic welds, has been studied The technological parameters of the ultrasonic welding process such as ultrasonic welding frequency, ultrasonic welding amplitude, welding time, pressing force, and weld shape, have been analyzed and presented in the thesis By the design of experiment methods, for different types of welds, the regression equations to determine the optimal breaking strength of the welds have been obtained, from which the manufacturing process can be calculated to meet real needs From the requirements for productivity and breaking strength of the weld, the welding time or the required pressure for the welding process can be determined in accordance with the conditions of the existing mechanical equipment iii LỜI CÁM ƠN Trước hết, xin gửi lời chân thành cảm ơn đến tồn thể gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, người giúp đỡ, động viên, hỗ trợ tơi suốt q trình thực luận án Đồng thời, xin chân thành cảm ơn PGS TS Nguyễn Hữu Lộc, PGS TS Nguyễn Thanh Hải người thầy tận tình hướng dẫn tơi chun mơn, động viên tơi lúc khó khăn để tơi thực hoàn thành luận án Cảm ơn Quý thầy cô, bạn đồng nghiệp Bộ môn Thiết bị Cơng nghệ Vật liệu Cơ khí, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh hỗ trợ tơi thực luận án Xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến quý thầy phản biện, quý thầy Hội đồng chấm luận án dành thời gian đọc góp ý kiến q báu để tơi hồn thiện luận án mình, giúp tơi định hướng hồn thiện nghiên cứu Trong q trình học tập thực luận án, Ban Giám hiệu, quý thầy Viện Cơ khí, Phịng Cơng tác sinh viên Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện tốt nhất, hỗ trợ cho mặt công tác để tập trung hồn thành luận án Q thầy Phịng Đào tạo Sau đại học, Thư viện - Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh hết lịng hỗ trợ tơi suốt trình thực luận án iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết lý lựa chọn đề tài 1.2 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu .2 1.2.2 Nội dung nghiên cứu 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu .3 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu .3 1.4 Ý nghĩa khoa học ứng dụng thực tiễn 1.4.1 Ý nghĩa khoa học 1.4.2 Ứng dụng thực tiễn 1.5 Nhựa nhiệt dẻo 1.5.1 Tổng quan nhựa nhiệt dẻo 1.5.2 Các yếu tố vật liệu ảnh hưởng đến thông số trình hàn 1.5.3 Khả hàn siêu âm số nhựa nhiệt dẻo với .7 1.6 Một số phương pháp hàn vật liệu nhựa nhiệt dẻo 1.6.1 Hàn ma sát 1.6.2 Hàn khí nóng 10 1.6.3 Hàn siêu âm 11 1.6.4 Đánh giá phương pháp hàn nhựa nhiệt dẻo 11 1.7 Tổng quan tình hình nghiên cứu 12 1.7.1 Nghiên cứu nước 12 1.7.2 Nghiên cứu nước 28 1.7.3 Đánh giá tình tình nghiên cứu 29 1.8 Kết luận 30 CHƯƠNG NHIỆT DẺO CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ HÀN SIÊU ÂM NHỰA 31 v 2.1 Nội dung 31 2.2 Nguyên lý hàn siêu âm nhựa nhiệt dẻo 31 2.3 Cơ sở lý thuyết phương pháp hàn siêu âm .32 2.3.1 Nguồn hàn siêu âm 32 2.3.2 Bộ chuyển đổi 33 2.3.3 Khuếch đại dao động 35 2.3.4 Khuôn hàn siêu âm 36 2.3.5 Thiết kế đường hàn siêu âm 43 2.3.6 Thiết kế vùng định hướng lượng 43 2.3.7 Miền hàn gần xa 45 2.3.8 Hàn siêu âm gián đoạn, hàn siêu âm liên tục 46 2.3.9 Thông số công nghệ hàn siêu âm 46 2.4 Vật liệu hàn siêu âm 47 2.4.1 Vật liệu đàn nhớt .47 2.4.2 Vật liệu cấu trúc vơ định hình 48 2.4.3 Vật liệu cấu trúc bán tinh thể 49 2.5 Thiết kế chế tạo hệ siêu âm cho sản phẩm vải không dệt 49 2.5.1 Lựa chọn vật liệu làm khuôn .49 2.5.2 Tính tốn mô khuôn phần mềm CARD 50 2.5.3 Thiết kế phân tích khn hàn siêu âm sử dụng phần mềm Abaqus .55 2.5.4 Thiết kế đe hàn 56 2.6 Kết luận 58 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 59 3.1 Nội dung 59 3.2 Đối tượng nghiên cứu 59 3.2.1 Vật liệu PP 59 3.2.2 Vải không dệt 61 3.2.3 Tính hàn vải khơng dệt .64 3.2.4 Các tiêu chuẩn thử nghiệm vải không dệt 64 3.2.5 Các dạng hỏng sản phẩm vải không dệt gia công phương pháp hàn siêu âm 65 3.3 Thiết bị phục vụ nghiên cứu 66 vi 3.3.1 Thiết bị hàn sóng dọc trục gián đoạn 66 3.3.2 Thiết bị hàn sóng dọc trục liên tục 67 3.3.3 Thiết bị sóng hướng kính 69 3.3.4 Con lăn hàn liên tục 71 3.4 Phương pháp xử lý số liệu quy hoạch thực nghiệm 72 3.4.1 Phương pháp xử lý số liệu 72 3.4.2 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm .73 3.5 Thiết bị đo phân tích 74 3.5.1 Thiết bị kiểm nghiệm độ bền kéo đứt .74 3.5.2 Thiết bị phân tích hình ảnh đường hàn .75 3.6 Kết luận 77 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 78 4.1 Nội dung 78 4.2 Thiết kế, mô chế tạo khuôn, đe hàn 78 4.2.1 Thiết kế mô khuôn hàn 78 4.2.2 Chế tạo khuôn hàn, đe hàn 80 4.3 Chuẩn bị thực nghiệm thực nghiệm thăm dò 82 4.3.1 Mẫu thí nghiệm thiết bị đo 82 4.3.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ bền kéo đứt đường hàn .83 4.3.3 Xác định số thí nghiệm lặp 96 4.3.4 Lựa chọn phương trình hồi quy khoảng giá trị nhân tố 98 4.4 Kết thực nghiệm phân tích .100 4.4.1 Kết thực nghiệm .101 4.4.2 Phân tích đánh giá 106 4.5 Phân tích hình ảnh đường hàn 109 4.5.1 Mặt trước đường hàn .110 4.5.2 Mặt sau đường hàn 110 4.5.3 Mặt cắt ngang đường hàn 111 4.6 Kết luận 112 CHƯƠNG 5.1 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT .114 Mục tiêu nghiên cứu đạt luận án .114 vii 5.2 Về khoa học 115 5.3 Về thực tiễn 115 5.4 Kết luận án 115 5.5 Đề xuất hướng nghiên cứu phát triển luận án 117 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 PHỤ LỤC 128 viii