CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết và lý do lựa chọn đề tài Các nghiên cứu và phân tích ứng dụng hàn siêu âm đối với công nghệ hàn vật liệu nhựa nhiệt dẻo được thực hiện từ khá lâu trên thế giới, bởi các trường đại học, viện nghiên cứu hoặc các công ty. Hàn siêu âm được sử dụng chủ yếu trong đóng gói bao bì và các chi tiết được chế tạo từ nhựa vì có nhiều ưu điểm như: là công nghệ sạch, tiêu tốn ít năng lượng, năng suất cao, không cần công nhân trình độ cao và đặc biệt có thể tự động hóa dễ dàng. Điều này cho thấy việc nghiên cứu ứng dụng hàn siêu âm cho nhựa nhiệt dẻo là rất đa dạng; hàn siêu âm cho nhựa nhiệt dẻo vẫn còn là đề tài mới, đầy tiềm năng [1]. Đối với các trường đại học hoặc viện nghiên cứu trong nước, hiện chưa có đơn vị nào thực hiện nghiên cứu đầy đủ về cơ sở lý thuyết hàn siêu âm, tính toán, thiết kế, chế tạo thiết bị hàn siêu âm phục vụ cho việc hàn các chi tiết nhựa nhiệt dẻo.
Đối với các doanh nghiệp Việt Nam, hàn siêu âm ứng dụng để hàn các chi tiết nhựa nhiệt dẻo là một phương pháp hàn còn khá mới. Một vài doanh nghiệp có nhu cầu và khả năng đầu tư nhưng chưa mạnh dạn do lo ngại về bảo trì, thay thế thiết bị. Từ những phân tích trên ta nhận thấy việc nghiên cứu về công nghệ và chế tạo thiết bị hàn siêu âm là một hướng đi đầy tiềm năng trong lĩnh vực hàn ở nước ta. Hàn siêu âm góp phần làm đa dạng sự lựa chọn gia công các chi tiết nhựa nhiệt dẻo, đưa công nghệ Việt Nam dần bắt kịp công nghệ tiên tiến trên thế giới.
Hiện tại, thiết bị hàn siêu âm vải không dệt được ứng dụng rất nhiều trong ngành may, đặc biệt là các sản phẩm y tế như: khẩu trang, quần áo và nón bảo hộ. Tuy nhiên, chất lượng đường hàn siêu âm thường không ổn định, tỷ lệ phế phẩm cao vì các thông số của quá trình hàn thường chưa được lựa chọn phù hợp. Do đó việc tìm ra hướng tối ưu các thông số công nghệ chính của quá hàn siêu âm để có những sản phẩm đáp ứng yêu cầu hiện nay về chất lượng và năng suất là nhu cầu cấp thiết. Quá trình hàn siêu âm cần được nghiên cứu một cách đầy đủ bằng những phương pháp hiện đại và dựa trên những cơ sở khoa học.2 Mục tiêu và nội dung của nghiên cứu 1.1 Mục tiêu của nghiên cứu Mục tiêu của luận án: nghiên cứu thiết bị, lựa chọn các thông số công nghệ chính của phương pháp hàn siêu âm cho vật liệu vải không dệt PP đảm bảo được chất lượng theo yêu cầu.2 Nội dung của nghiên cứu Với mục tiêu trên, luận án có các nội dung như sau: Khảo sát các ứng dụng hàn siêu âm áp dụng cho nhựa nhiệt dẻo, vải không dệt: Khảo sát các thông số công nghệ của nhựa nhiệt dẻo ảnh hưởng đến quá trình hàn.
Đối với nhựa nhiệt dẻo PP có cấu trúc bán tinh thể nên việc hàn siêu âm được thực hiện tương đối dễ dàng. Vải không dệt PP khi hàn siêu âm ở tần số 20 kHz thì biên độ dao động được đề xuất là 38 μm trở lên. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hàn siêu âm, vật liệu hàn siêu âm: Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết của phương pháp hàn siêu âm bao gồm: nguồn hàn siêu âm, bộ chuyển đổi, khuếch đại dao động, khuôn hàn siêu âm, thiết kế đường hàn siêu âm, hàn gần hàn xa, hàn liên tục và gián đoạn… Nghiên cứu về vật liệu nhựa nhiệt dẻo. Nghiên cứu kết cấu, vật liệu, chế tạo khuôn hàn và thiết bị hàn siêu âm.
Tìm hiểu về công nghệ chế tạo khuôn hàn siêu âm. Nghiên cứu về kết cấu và vật liệu để chế tạo khuôn hàn và hệ siêu âm. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo khuôn hàn siêu âm dọc trục và hướng kính. Nghiên cứu tính toán thiết kế, mô phỏng phần tử hữu hạn hệ siêu âm.
Ứng dụng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tối ưu các thông số công nghệ chính. Đánh giá về mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến độ bền kéo đứt của đường hàn siêu âm theo phương pháp Taguchi. 2 Nghiên cứu ứng dụng quy hoạch thực nghiệm để xác định phương trình hồi quy, từ đó tìm được miền giá trị các thông số công nghệ chính để đảm bảo độ bền kéo đứt của đường hàn. Phân tích hình ảnh để đánh giá chất lượng của đường hàn.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm: vật liệu vải không dệt PP định lượng 70 GSM, khuôn hàn siêu âm dọc trục và hướng kính tần số 20 kHz.2 Phạm vi nghiên cứu Thiết kế, mô phỏng, chế tạo khuôn hàn và thiết bị hàn siêu âm tần số 20 kHz.
Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính và hình dáng đường hàn đến chất lượng mối hàn (độ bền kéo đứt của đường hàn siêu âm) trên vật liệu vải không dệt PP.4 Ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học Công nghệ và thiết bị hàn siêu âm mà luận án nghiên cứu tạo điều kiện cho các nghiên cứu chuyên sâu sau này ở trong nước. Nghiên cứu hàn siêu âm trên vật liệu nhựa nhiệt dẻo PP làm nền tảng để nhóm nghiên cứu tiếp trục triển khai các nghiên cứu về công nghệ và thiết bị cho việc hàn siêu âm các chi tiết và kết cấu kim loại. Thực nghiệm tìm bộ thông số công nghệ hợp lý đảm bảo độ bền kéo đứt đạt giá trị mong muốn và tối ưu bằng phương pháp Taguchi với ma trận quy hoạch L18 cho 3 nhân tố đánh giá mức ảnh hưởng từng thông số công nghệ, ma trận quy hoạch L18 là tổ hợp 2 quy hoạch thực nghiệm bậc hai FCCCD với 2 nhân tố.2 Ứng dụng thực tiễn Đóng góp trong việc đào tạo kỹ sư chuyên về hàn siêu âm, hiện chưa có đơn vị nào đảm trách. 3 Hàn siêu âm là công nghệ hàn sạch, không sinh ra các chất khí độc như hàn hồ quang hay hàn khí, đồng thời, hàn siêu âm thực hiện ở nhiệt độ thấp so với các phương pháp hàn khác nên mang lại các ảnh hưởng tích cực với môi trường và năng lượng.
Thiết kế, chế tạo khuôn hàn và máy hàn siêu âm áp dụng cho các sản phẩm ngành may dân dụng cũng như các sản phẩm phục vụ cho ngành y tế. Xác định bộ thông số công nghệ chính hợp lý và tối ưu, đảm bảo độ bền kéo đứt đường hàn và nâng cao năng suất của thiết bị.5 Nhựa nhiệt dẻo 1.1 Tổng quan về nhựa nhiệt dẻo Polyme là một khái niệm dùng để chỉ các hợp chất có khối lượng phân tử lớn và trong cấu trúc của chúng có sự lặp đi lặp lại nhiều lần những mắt xích cơ bản. Có 2 dạng polyme cơ bản: nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn. Nhựa nhiệt rắn là loại vật liệu nhựa mà khi biến dạng chịu thay đổi hóa học không thuận nghịch và không thể tạo hình lại dưới tác dụng nhiệt và áp suất.
Do đó, nhựa nhiệt rắn không thể hàn bằng siêu âm. Nhựa nhiệt dẻo, sau khi biến dạng nhiệt, có thể tạo hình lại dưới tác dụng nhiệt và áp suất. Đặc tính này có thể dùng để hàn siêu âm các vật liệu nhựa nhiệt dẻo [2,3] hoặc composite [1,4-8]. Khi nung nóng đến nhiệt độ chảy mềm Tm thì vật liệu chảy mềm ra và khi hạ nhiệt độ thì đóng rắn lại.
Các mạch đại phân tử của nhựa nhiệt dẻo liên kết bằng các liên kết yếu (liên kết hydro, Van der Waals) và tính chất cơ học là không cao. Nhựa nhiệt dẻo có khả năng tái sinh được nhiều lần, một số loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng như: PE, PP, ABS, PS, PMMA, PB, PET, … Khi thảo luận về đặc tính hàn của nhựa nhiệt dẻo, cần phải nhận ra rằng có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến yêu cầu năng lượng siêu âm cũng như tính hàn của nhựa nhiệt dẻo [9-11]. Thông số công nghệ chính của nhựa nhiệt dẻo gồm: cấu trúc polyme, nhiệt độ chảy, chỉ số nóng chảy, mô đun đàn hồi và thành phần hóa học [12,13]. Vải không dệt có thể được chế tạo từ các loại sợi: tự nhiên, tái sinh và tổng hợp.
Sợi tổng hợp bao gồm: PP, PE, PET, … 4 1.2 Các yếu tố của vật liệu ảnh hưởng đến thông số của quá trình hàn Cấu trúc polyme Đối với cấu trúc vô định hình: polyme cấu trúc vô định hình có khoảng nhiệt độ biến mềm ΔT rộng (ΔT = Tf – Tg, trong đó Tf là nhiệt độ chảy giọt và Tg là nhiệt độ thủy tinh hóa) cho phép vật liệu nóng chảy mà không bị đông đặc sớm. Những loại polyme này nói chung rất hiệu quả khi được truyền dao động cơ học và có thể được hàn trong một khoảng rộng của áp lực và biên độ. Đối với cấu trúc bán tinh thể: có khoảng nhiệt độ biến mềm ΔT hẹp hơn. Ở trạng thái rắn, phân tử polyme giống như lò xo, hấp thụ 1 phần dao động cơ tần số cao, nên gây khó khăn trong việc truyền năng lượng siêu âm đến bề mặt cần hàn.
Vì lý do này, ta cần phải dùng biên độ dao động lớn. Khoảng nóng chảy hẹp là kết quả của yêu cầu năng lượng rất cao cần thiết để phá vỡ cấu trúc bán tinh thể để làm cho vật liệu chảy. Một khi vật liệu nóng chảy dịch chuyển ra xa vùng được gia nhiệt, polyme này đông đặc rất nhanh trong một khoảng nhiệt độ thay đổi nhỏ. Do đặc tính này, trong quá trình hàn, cần phải cẩn trọng khi thiết kế các thông số công nghệ (biên độ dao động, đường hàn, tiếp xúc khuôn hàn, khoảng cách từ bề mặt khuôn đến đường hàn) nhằm đạt được kết quả mong muốn [11,14,15].
Nhiệt độ chảy giọt Nhiệt độ chảy giọt của polyme càng cao, năng lượng siêu âm cần thiết càng lớn. Đối với vật liệu bán tinh thể có thể hàn được tốt bằng phương pháp hàn siêu âm, sự chảy của vật liệu không phải là một điểm như vật liệu tinh thể mà chúng có một khoảng biến mềm (gọi là khoảng nhiệt độ biến mềm ΔT). Tùy thuộc vào yêu cầu thực tế mà khi thực hiện phương pháp hàn ta lựa chọn nhiệt độ hàn phù hợp gần nhiệt độ chảy giọt (nhưng không được cao hơn) để có thể đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật [3]. Mô đun đàn hồi (độ cứng) Độ cứng của polyme ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng truyền dẫn siêu âm đến bề mặt hàn.
