Đồ án HCMUTE: Hoàn thiện thiết kế và nâng cao dây chuyền sản xuất túi vải sử dụng công nghệ siêu âm

Đồ án kỹ thuật nghiên cứu hcmute hoàn thiện thiết kế và nâng cao dây chuyền sản xuất túi vải sử dụng công nghệ siêu âm, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh

• Tác giả: Nguyễn Đức Hùng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trương Nguyễn Luân Vũ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nâng Cao Dây Chuyền Sản Xuất Túi Vải Bằng Công Nghệ Siêu Âm
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Cơ sở phương pháp luận
• 1.5.2. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
• 1.6. Kết cấu ĐATN
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Sơ lược về ngành sản xuất bao bì
• 2.2. Tăng cường nghiên cứu trong ngành công nghiệp bao bì
• 2.3. Các lĩnh vực nghiên cứu chủ yếu hiện nay trong ngành công nghiệp bao bì
• 2.4. Báo cáo của ngành công nghiệp bao bì toàn cầu
• 2.5. Chính sách quản lý liên quan tới nghiên cứu ngành công nghiệp bao bì
• 2.6. Khái quát về công nghệ hàn siêu âm
• 2.6.1. Khái niệm
• 2.6.2. Tần số siêu âm
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
• 4. CHƯƠNG 4: Ý TƯỞNG VÀ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ
• 4.1. Nguyên lý hoạt động từng cụm
• 4.1.1. Cụm 1: Cụm cấp vải
• 4.1.2. Cụm 2: Cụm gấp mí
• 4.1.3. Cụm 3: Cụm gấp đôi vải
• 4.1.4. Cụm 4: Cụm gấp đáy
• 4.1.5. Cụm 5: Cụm căng vải
• 4.1.6. Cụm 7: Cụm cắt V + Cắt đứt
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TỪNG CỤM
• 5.1. Thiết kế và tính toán (bằng phần mềm Autodesk Inventor 2015)
• 5.1.1. Thiết kế cụm 1: Cụm cấp vải
• 5.1.2. Thiết kế cụm 2: Gấp mí
• 5.1.3. Thiết kế cụm 3: Cụm gấp đôi
• 5.1.4. Thiết kế cụm 4: Cụm gấp đáy
• 5.1.5. Thiết kế cụm 5: Cụm căng vải
• 5.1.6. Thiết kế cụm 6
• 5.1.7. Thiết kế cụm 7
• 5.1.8. Tính toán bộ truyền
• 5.1.9. TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN ĐAI RĂNG
• 5.1.10. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN XÍCH CHO CỤM GẤP MÍ VÀ CỤM CĂNG
• 5.1.11. TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN XÍCH CHO CỤM CẮT V, CẮT NGANG
• 6. CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO CƠ KHÍ, TIẾN HÀNH CĂNG CHỈNH, CHẠY THỬ
• 6.1. THIẾT KẾ CHẾ TẠO
• 6.2. CHẾ TẠO CƠ KHÍ
• 6.3. MỘT SỐ HÌNH ẢNH GIA CÔNG THỰC TẾ
• 6.4. TIẾN HÀNH CĂN CHỈNH VÀ CHẠY THỬ
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Đề tài 'Nâng cao dây chuyền sản xuất túi vải bằng công nghệ siêu âm tại HCMUTE' được thực hiện nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về sản phẩm túi vải không dệt. Dây chuyền sản xuất hiện tại gặp nhiều khó khăn trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Việc áp dụng công nghệ siêu âm vào sản xuất không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Theo nghiên cứu, công nghệ siêu âm có khả năng tạo ra mối hàn chắc chắn, không dệt, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm. Đề tài này không chỉ mang tính thực tiễn mà còn có ý nghĩa khoa học, mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp may mặc tại Việt Nam.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh hiện nay, nhu cầu sử dụng túi vải ngày càng tăng cao, đặc biệt là trong các hoạt động bảo vệ môi trường. Việc sản xuất túi vải không dệt bằng công nghệ siêu âm không chỉ đáp ứng nhu cầu thị trường mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Sự phát triển của công nghệ sản xuất hiện đại giúp các doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình sản xuất, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế. Đề tài này sẽ giúp sinh viên hiểu rõ hơn về quy trình sản xuất và ứng dụng công nghệ mới trong thực tiễn.

II. Tổng quan cơ sở lý thuyết

Chương này sẽ trình bày tổng quan về công nghệ hàn siêu âm và ứng dụng của nó trong sản xuất túi vải. Công nghệ siêu âm được biết đến với khả năng tạo ra mối hàn chắc chắn, không dệt, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ tiên tiến này vào dây chuyền sản xuất có thể giảm thiểu thời gian và chi phí sản xuất. Hơn nữa, công nghệ siêu âm còn giúp cải thiện tính năng của sản phẩm, đáp ứng yêu cầu khắt khe của thị trường. Việc nghiên cứu và phát triển dây chuyền sản xuất sử dụng công nghệ siêu âm sẽ mở ra nhiều cơ hội cho ngành công nghiệp may mặc tại Việt Nam.

2.1 Khái quát về công nghệ hàn siêu âm

Công nghệ hàn siêu âm là một phương pháp hiện đại trong sản xuất, sử dụng sóng siêu âm để tạo ra mối hàn chắc chắn giữa các vật liệu. Công nghệ này có nhiều ưu điểm như tiết kiệm năng lượng, thời gian và chi phí. Việc áp dụng công nghệ siêu âm trong sản xuất túi vải không dệt giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu cho thấy rằng mối hàn được tạo ra bằng công nghệ siêu âm có độ bền cao, đáp ứng yêu cầu khắt khe của thị trường. Điều này không chỉ giúp doanh nghiệp tăng cường khả năng cạnh tranh mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

III. Ý tưởng và giải pháp thiết kế

Đề tài này tập trung vào việc thiết kế và chế tạo dây chuyền sản xuất túi vải sử dụng công nghệ siêu âm. Các giải pháp thiết kế được đưa ra nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất, từ đó nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Việc áp dụng công nghệ tiên tiến trong thiết kế sẽ giúp giảm thiểu chi phí sản xuất và thời gian chế tạo. Các cụm máy móc trong dây chuyền được thiết kế để hoạt động đồng bộ, đảm bảo quy trình sản xuất diễn ra liên tục và hiệu quả. Đề tài cũng sẽ nghiên cứu và phát triển các giải pháp kỹ thuật nhằm cải thiện tính năng của sản phẩm, đáp ứng nhu cầu thị trường.

3.1 Nguyên lý hoạt động từng cụm

Mỗi cụm trong dây chuyền sản xuất đều có nguyên lý hoạt động riêng, đảm bảo tính đồng bộ và hiệu quả. Cụm cấp vải, cụm gấp mí, cụm gấp đáy và cụm cắt đều được thiết kế để hoạt động một cách tối ưu. Việc áp dụng công nghệ siêu âm trong các cụm này giúp tạo ra mối hàn chắc chắn, không dệt, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm. Các cụm máy móc được kết nối với nhau, tạo thành một hệ thống sản xuất hoàn chỉnh, giúp giảm thiểu thời gian và chi phí sản xuất.

IV. Kết luận và kiến nghị

Đề tài 'Nâng cao dây chuyền sản xuất túi vải bằng công nghệ siêu âm tại HCMUTE' đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ siêu âm trong sản xuất túi vải không dệt là cần thiết và cấp bách. Nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm mà còn mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp may mặc tại Việt Nam. Đề tài khuyến nghị các doanh nghiệp nên đầu tư vào công nghệ tiên tiến để cải thiện quy trình sản xuất, từ đó đáp ứng nhu cầu thị trường và bảo vệ môi trường.

4.1 Đề xuất ứng dụng công nghệ

Việc ứng dụng công nghệ siêu âm trong sản xuất túi vải không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Các doanh nghiệp nên xem xét việc đầu tư vào công nghệ tiên tiến này để cải thiện quy trình sản xuất. Hơn nữa, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp kỹ thuật mới sẽ giúp doanh nghiệp tăng cường khả năng cạnh tranh trên thị trường.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Ngành công nghiệp bao bì toàn cầu đạt giá trị hơn 424 tỷ USD, trong đó vật liệu nhựa và polymer chiếm tới 34% thị phần sản xuất. Tại Việt Nam và các thị trường đang phát triển, xu hướng chuyển đổi từ túi nilon đơn lớp truyền thống sang túi vải không dệt (Non-woven Polypropylene - PP) thân thiện với môi trường đang tăng trưởng mạnh mẽ với tốc độ hơn 12%/năm. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất của các doanh nghiệp nội địa là các dây chuyền sản xuất túi vải tự động nhập khẩu (như ONL-A600, ONL-A800 hay các dòng máy CMYK) có chi phí đầu tư rất lớn, trong khi quy trình may ghép thủ công lại cho năng suất thấp, chi phí nhân công cao và chất lượng đường may không đồng đều.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là: Làm thế nào để làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo một hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh sản xuất túi vải không dệt tích hợp công nghệ hàn siêu âm (Ultrasonic Welding - UW) với chi phí chế tạo tối ưu mà vẫn đảm bảo độ bền liên kết mối ghép và độ chính xác cơ học cao?

Đồ án tốt nghiệp "Hoàn thiện thiết kế và nâng cao dây chuyền sản xuất túi vải sử dụng công nghệ siêu âm" được thực hiện nhằm giải quyết trực tiếp bài toán này với các mục tiêu cụ thể:

1. Nghiên cứu sâu cơ chế biến dạng dẻo cục bộ và truyền sóng âm tần số cao ($20\text{ kHz}$) trên vật liệu vải không dệt PP.
2. Thiết kế hoàn chỉnh 7 cụm chức năng trên dây chuyền tự động liên tục bằng phần mềm Autodesk Inventor 2015.
3. Tính toán động học, động lực học và thiết kế hệ thống truyền động chính xác (vitme-đai ốc bi, thanh trượt bi, bộ truyền đai răng, hệ thống khí nén).
4. Xây dựng thuật toán điều khiển đồng bộ nhiều trục sử dụng động cơ bước lưỡng cực kết hợp hệ thống van đảo chiều khí nén $5/2$.
5. Chế tạo thực nghiệm mô hình dây chuyền, hiệu chỉnh thông số vận hành và đánh giá chất lượng sản phẩm theo tiêu chuẩn công nghiệp.

Giải pháp lựa chọn là module hóa toàn bộ dây chuyền sản xuất, tích hợp đầu phát siêu âm tần số $20\text{ kHz}$ tại các vị trí gấp mí, hàn biên dạng V và hàn ngang thân túi. Phương pháp này loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng chỉ may hay keo dán nhiệt nóng chảy, giúp giảm $40%$ tiêu hao năng lượng và tăng năng suất lên gấp 3 lần so với phương pháp thủ công.

Hệ thống được thiết kế hướng tới các chỉ tiêu định lượng nghiêm ngặt:

• Năng suất dây chuyền: $40 - 60\text{ túi/phút}$.
• Sai số kích thước thành phẩm: độ lệch miệng túi $\le 3\text{mm}$, độ lệch nếp gấp đáy $\le 5\text{mm}$.
• Độ bền mối hàn nhiệt siêu âm: độ bền kéo đứt đường dán cạnh $\ge 80\text{ N}/50\text{mm}$, đường dán đáy $\ge 70\text{ N}/50\text{mm}$.

Phạm vi giới hạn của đồ án tập trung vào dòng túi vải không dệt PP định lượng $60 - 120\text{ g/m}^2$, tối ưu hóa kết cấu cơ khí và hệ thống truyền động trong khuôn khổ nghiên cứu thực nghiệm 4 tháng.

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi tiến hành thiết kế hệ thống, việc so sánh giữa các công nghệ gia công bao bì dệt/không dệt hiện hành là bước bắt buộc để xác định bài toán tối ưu kỹ thuật:

Tiêu chí so sánh	May công nghiệp truyền thống (Kim & Chỉ)	Hàn nhiệt tiếp xúc (Hot-bar Sealing)	Hàn siêu âm tự động (Đề tài nghiên cứu)
Tốc độ xử lý	Chậm ($8 - 12\text{ túi/phút/lao động}$)	Trung bình ($20 - 30\text{ túi/phút}$)	Cao ($40 - 60\text{ túi/phút}$)
Độ bền kéo mối ghép	Phụ thuộc chỉ may, dễ xước mép	Dễ bị cháy màng nhiệt, giòn ($50 - 60\text{ N}/50\text{mm}$)	Ngấu đều, bền cao ($\ge 80\text{ N}/50\text{mm}$)
Vật liệu tiêu hao	Tiêu tốn kim, chỉ, cuộn suốt	Tiêu tốn băng teflon chống dính	Không cần phụ liệu kết dính
Tiêu thụ điện năng	Rải rác theo từng động cơ may	Cao (duy trì nhiệt đốt nóng liên tục)	Thấp (chỉ phát xung khi ép hàn)
Tính thẩm mỹ	Lộ đường may, đầu chỉ thừa	Mép hàn dễ biến dạng co ngót nhiệt	Đường dập hoa văn sắc nét, chuẩn xác

Yêu cầu hệ thống được phân loại theo mô hình MoSCoW:

• Must have (Bắt buộc): Đồng bộ tự động 7 cụm chức năng; modul hàn siêu âm $20\text{ kHz}$ áp lực ổn định; cơ cấu dao cắt dập dứt khoát.
• Should have (Nên có): Cơ cấu khử khe hở ngược cho vitme bi; cảm biến quang điện nhận diện mép vải chống lệch làn.
• Could have (Có thể mở rộng): Màn hình HMI cảm ứng cài đặt thông số chiều dài túi theo thời gian thực.
• Won't have (Chưa thực hiện đợt này): Hệ thống in flexo 4 màu trực tiếp tích hợp trên dây chuyền.

Thiết kế hệ thống

Dây chuyền sản xuất được module hóa thành 7 cụm chức năng chính làm việc liên tục:

1. Cụm 1 - Cấp vải liên tục: Trục gá cuộn vải không dệt PP, cơ cấu phanh hãm lực căng và tấm đỡ định vị hướng cấp.
2. Cụm 2 - Gấp mí và hàn mí túi: Tấm dẫn hướng tam giác gấp gập mép vải, đầu hàn siêu âm liên tục và trục ép áp lực.
3. Cụm 3 - Gấp đôi thân túi: Cơ cấu tam giác định hình gập đôi chiều rộng vải theo trục đối xứng.
4. Cụm 4 - Gấp đáy dạng xếp hông (Gusset): Đĩa bánh xe lăn gấp đáy ép góc lồi/lõm tạo đáy đứng cho túi.
5. Cụm 5 - Kéo và căng vải trung gian: Rulo kéo bọc cao su chịu ma sát kết hợp động cơ bước điều khiển bước tiến chính xác.
6. Cụm 6 - Hàn biên dạng V và hàn ngang: Cụm khuôn đe hàn (Anvil) và đầu phát sóng (Horn) chuyển động tịnh tiến nhờ xy-lanh khí nén.
7. Cụm 7 - Cắt góc chữ V và cắt đứt thành phẩm: Cơ cấu dao cắt bay (Flying shear) dẫn hướng bởi thanh trượt bi và trục vitme.

[Cuộn cấp vải PP] 

Technology Stack và thông số kỹ thuật phần cứng:

• Phần mềm thiết kế CAD 3D/CAE: Autodesk Inventor Professional 2015.
• Bộ điều khiển chuyển động: Vi điều khiển công nghiệp / PLC kết hợp Driver điều khiển động cơ bước lưỡng cực (Microstepping Driver $1/16\text{ step}$).
• Động cơ chấp hành: Động cơ bước lai (Hybrid Stepper Motor) $1.8^\circ/\text{step}$, Moment xoắn giữ $3.2\text{ Nm}$.
• Hệ thống khí nén: Xy-lanh khí nén tác động kép có đệm giảm chấn điều chỉnh được; Van điện từ đảo chiều $5/2$ xung (Solenoid Valve $24\text{VDC}$); Áp suất làm việc $0.4 - 0.6\text{ MPa}$.
• Bộ nguồn hàn siêu âm: Bộ biến tử áp điện (Piezoelectric Transducer) PZT, tần số dao động $20\text{ kHz} \pm 0.5\text{ kHz}$, công suất danh định $1500\text{ W} - 2000\text{ W}$.

Methodology

Quy trình nghiên cứu áp dụng phương pháp thiết kế kỹ thuật tích hợp V-Model kết hợp mô hình gia công thực nghiệm nhanh (Rapid Mechanical Prototyping):

• Giai đoạn 1 (Tuần 1 - 3): Khảo sát thực địa các dây chuyền nhập khẩu, tính toán các thông số lực căng, moment cắt, công suất phát siêu âm cần thiết.
• Giai đoạn 2 (Tuần 4 - 8): Thiết kế 3D toàn bộ 7 cụm trên Autodesk Inventor 2015, mô phỏng động học và phân tích ứng suất kết cấu khung máy bằng FEM (Finite Element Method).
• Giai đoạn 3 (Tuần 9 - 13): Gia công chi tiết cơ khí chính xác (phay CNC, tiện trục rulo, cắt dây EDM chi tiết dao cắt và tấm gá) và lắp ráp cơ cấu.
• Giai đoạn 4 (Tuần 14 - 16): Đấu nối hệ thống khí nén, mạch điều khiển động cơ bước, chạy thử nghiệm không tải và có tải với vải PP, đo lường chất lượng mối hàn.

---

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình chế tạo tập trung vào việc đảm bảo độ cứng vững của khung dầm và độ đồng trục của các cụm dẫn hướng. Toàn bộ các cơ cấu chuyển động tịnh tiến sử dụng hệ thống thanh trượt bi và trục vitme có cơ cấu khử khe hở bằng lò xo và tấm đệm để loại bỏ hoàn toàn hiện tượng rơ lắc cơ học (backlash).

Cơ chế điều khiển cấp xung cho động cơ bước kéo màng vải và kích hoạt xung hàn siêu âm, van khí nén được thiết kế theo thuật toán ngắt định thời chính xác, đảm bảo lực ép ổn định trước khi sóng siêu âm kích hoạt:

// Thuat toan dieu khien dong bo Rulo keo vai, Xy-lanh kep va Phat song sieu am
#include <Arduino.h>

const int PIN_STEP = 9;
const int PIN_DIR = 8;
const int PIN_SOLENOID_CYLINDER = 7;
const int PIN_ULTRASONIC_TRIGGER = 6;

// Thong so van hanh dong co va co cau
const long STEPS_PER_BAG_LENGTH = 3200; // Tuong duong chieu dai tui 400mm (Microstepping 1/16)
const int FEED_PULSE_DELAY_US = 250;     // Toc do cap xung dong co buoc
const int CYLINDER_PRESS_TIME_MS = 150;  // Thoi gian cho xy-lanh kep du ap luc
const int ULTRASONIC_WELD_TIME_MS = 200; // Thoi gian phat xung han sieu am 20kHz
const int HOLD_TIME_MS = 100;            // Thoi gian giu nguoi moi han duoi ap luc

void feedFabric(long steps) {
    digitalWrite(PIN_DIR, HIGH);
    for(long i = 0; i < steps; i++) {
        digitalWrite(PIN_STEP, HIGH);
        delayMicroseconds(FEED_PULSE_DELAY_US);
        digitalWrite(PIN_STEP, LOW);
        delayMicroseconds(FEED_PULSE_DELAY_US);
    }
}

void executeWeldCycle() {
    // Buoc 1: Ha dau han xuong va tao ap luc ep
    digitalWrite(PIN_SOLENOID_CYLINDER, HIGH);
    delay(CYLINDER_PRESS_TIME_MS);
    
    // Buoc 2: Kich hoat bo bien tu phat song sieu am tao bien dang deo cuc bo
    digitalWrite(PIN_ULTRASONIC_TRIGGER, HIGH);
    delay(ULTRASONIC_WELD_TIME_MS);
    digitalWrite(PIN_ULTRASONIC_TRIGGER, LOW);
    
    // Buoc 3: Duy tri ap luc de lien ket phan tu dong dac
    delay(HOLD_TIME_MS);
    
    // Buoc 4: Rut xy-lanh len, ket thuc 1 chu ky han
    digitalWrite(PIN_SOLENOID_CYLINDER, LOW);
    delay(100);
}

void loop() {
    feedFabric(STEPS_PER_BAG_LENGTH); // Keo dung buoc vai
    executeWeldCycle();               // Tien hanh han V va han day
    // Kich hoat cum cat dut thanh pham dong bo
}

Các thách thức kỹ thuật lớn nhất trong quá trình lắp ráp bao gồm hiện tượng sai lệch lực căng dọc dải vải gây nhăn nếp gấp và hiện tượng dao động biên độ tại đầu hàn siêu âm (Horn). Nhóm nghiên cứu đã khắc phục bằng cách thiết kế bổ sung rulo cân bằng lực căng đàn hồi ở Cụm 5 và gia công tinh bề mặt đe hàn (Anvil) đạt độ phẳng song song $\le 0.02\text{ mm}$.

Testing và validation

Quá trình kiểm chuẩn được thực hiện trên 500 chu kỳ dập túi liên tục với vải PP định lượng $80\text{ g/m}^2$. Độ bền cơ học của mối hàn được đo kiểm bằng máy thử kéo nén vạn năng (Universal Testing Machine).

Hạng mục kiểm thử	Giá trị thiết kế mục tiêu	Kết quả đo thực nghiệm	Đánh giá
Độ bền kéo đứt đường dán cạnh	$\ge 80\text{ N}/50\text{mm}$	$86.4 \pm 3.2\text{ N}/50\text{mm}$	Đạt tiêu chuẩn xuất khẩu
Độ bền kéo đứt đường dán đáy	$\ge 70\text{ N}/50\text{mm}$	$78.1 \pm 2.8\text{ N}/50\text{mm}$	Vượt $11.5%$ mục tiêu
Khoảng cách dán cách mép cắt	$6 \pm 1\text{ mm}$	$6.2 \pm 0.4\text{ mm}$	Đạt độ chính xác cao
Độ lệch miệng hai bên túi	$\le 3\text{ mm}$	$1.2 - 2.0\text{ mm}$	Đạt yêu cầu thẩm mỹ
Độ lệch mép gấp hai bên đáy	$\le 5\text{ mm}$	$2.5 - 3.8\text{ mm}$	Đạt độ chính xác
Độ dính hai đáy đối diện	$\le 3\text{ mm}$	$\le 1.5\text{ mm}$	Đảm bảo mở túi dễ dàng

Tỷ lệ lỗi đường hàn không ngấu hoặc cháy vải trong quá trình vận hành liên tục 2 giờ giảm từ $8.4%$ xuống còn $1.2%$ sau khi hiệu chỉnh áp suất khí nén cấp vào xy-lanh ở mức chuẩn $0.52\text{ MPa}$ và thời gian phát xung $200\text{ ms}$.

---

Đổi mới và đóng góp

1. Cải tiến cụm đe hàn đa năng tích hợp: Thiết kế khuôn đe hàn kết hợp đồng thời đường hàn chữ V và đường dập ngang đáy trong một hành trình xy-lanh duy nhất, giảm $50%$ số lượng đầu phát siêu âm đắt tiền so với thiết kế của các dây chuyền nhập khẩu.
2. Cơ cấu gấp mí và định tâm chủ động: Ứng dụng dưỡng gấp tấm kim loại tam giác cong 3D có khả năng tinh chỉnh biên độ theo nhiều khổ túi khác nhau ($250\text{mm} - 600\text{mm}$), giảm thiểu $80%$ thời gian căn chỉnh cữ máy (Changeover time) khi đổi mẫu bao bì.
3. Cơ cấu dao cắt bay khử quán tính: Sử dụng bộ truyền đai răng đồng bộ kết hợp thanh dẫn hướng bi tốc độ cao cho Cụm 7, giúp quá trình cắt đứt diễn ra ngọt, không để lại ba-via (burr) hoặc sờn sợi ở đầu vải.
4. Làm chủ công nghệ tính toán cơ - điện tích hợp: Xây dựng tài liệu tính toán chọn công suất động cơ bước, thiết kế bộ truyền xích/đai và hệ thống phân phối khí nén chuẩn hóa, phục vụ đào tạo và chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp chế tạo máy trong nước.

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

Dây chuyền hoàn toàn khả thi để ứng dụng trực tiếp tại các xưởng sản xuất bao bì thân thiện môi trường, các cơ sở may mặc gia công túi quà tặng sự kiện, túi siêu thị tự hủy và túi bọc nông sản xuất khẩu.

Phân tích hiệu quả kinh tế và thu hồi vốn (ROI):

• Chi phí đầu tư chế tạo dây chuyền nội địa hóa: $\approx 180.000.000\text{ VNĐ}$ (chỉ bằng $35 - 40%$ so với dây chuyền tự động nhập khẩu cùng phân khúc có giá $\approx 450.000.000 - 550.000.000\text{ VNĐ}$).
• Năng suất trung bình một ca làm việc (8 giờ): $\approx 24.000\text{ túi/ngày}$, tương đương năng suất của 20 công nhân may thủ công.
• Tiết kiệm chi phí nhân công ước tính: $\approx 85.000.000\text{ VNĐ/tháng}$.
• Thời gian hoàn vốn đầu tư dự kiến: Dưới 3.5 tháng vận hành liên tục.

---

Hạn chế và hướng phát triển

• Hạn chế kỹ thuật hiện tại: Dây chuyền hiện vận hành tốt nhất trên vật liệu vải không dệt 100% Polypropylene với dải định lượng $60 - 120\text{ g/m}^2$; đối với vải pha sợi tự nhiên (cotton) hoặc màng PE dày, liên kết hàn siêu âm chưa đạt độ ngấu tối đa do nhiệt độ nóng chảy khác biệt. Hệ thống thay đổi kích thước túi vẫn cần thao tác cơ khí vặn vitme định vị bằng tay.
• Hướng phát triển tiếp theo:
  • Nâng cấp hệ thống điều khiển sang PLC công nghiệp tốc độ cao tích hợp giao tiếp HMI và động cơ Servo để tự động hóa hoàn toàn khâu thay đổi kích thước túi qua màn hình cảm ứng.
  • Tích hợp cụm cấp và hàn quai túi tự động (Loop handle attachment unit) bằng công nghệ siêu âm điểm để tạo ra túi hoàn chỉnh có quai xách không cần công đoạn may phụ trợ.

---

Đối tượng hưởng lợi

• Sinh viên & Học viên ngành Cơ điện tử / Chế tạo máy: Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về thiết kế hệ thống cơ khí chính xác, lựa chọn bộ truyền xích, đai răng, vitme bi và tích hợp công nghệ hàn siêu âm $20\text{ kHz}$.
• Kỹ sư R&D và Chế tạo máy: Cung cấp giải pháp module hóa máy sản xuất bao bì, các bản vẽ thiết kế cụm chức năng và giải pháp điều khiển động cơ bước kết hợp khí nén.
• Doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs) sản xuất bao bì: Tiếp cận giải pháp dây chuyền tự động hóa giá thành thấp, tối ưu hóa năng lực sản xuất, giảm chi phí đầu tư ban đầu và nâng cao năng lực cạnh tranh trong xu hướng tiêu dùng xanh.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật về nguồn điện và hệ thống cấp khí nén để vận hành máy là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới $1\text{ pha } 220\text{V} - 50\text{Hz}$ (công suất tổng $\approx 3.5\text{ kW}$ bao gồm bộ phát siêu âm và các động cơ truyền động) và máy nén khí cấp áp lực tối thiểu $0.6\text{ MPa}$ ($6\text{ bar}$) với lưu lượng khí tiêu thụ $\approx 150\text{ lít/phút}$, có trang bị bộ lọc tách nước và tra dầu khí nén tiêu chuẩn.

2. Công nghệ hàn siêu âm có thể hàn được các loại vải dệt truyền thống không?

Hàn siêu âm chỉ hoạt động hiệu quả trên các vật liệu chứa thành phần nhiệt dẻo (Thermoplastic) tối thiểu $65 - 70%$ như PP, PE, Polyester, Nylon. Các loại vải dệt $100%$ sợi tự nhiên (cotton, sợi lanh) không thể nóng chảy dính kết bằng siêu âm nếu không phủ thêm lớp màng polymer nhiệt dẻo trung gian.

3. Làm thế nào để điều chỉnh dây chuyền khi cần sản xuất kích thước túi khác nhau?

Người vận hành điều chỉnh khoảng cách giữa hai cụm gấp mí thông qua trục vitme điều chỉnh tay gá trên khung máy, thay đổi vị trí đe hàn V và cài đặt lại thông số bước xung của động cơ bước kéo màng vải trên bộ điều khiển để đạt chiều dài túi mong muốn.

4. Chi phí bảo trì đầu hàn siêu âm (Horn & Anvil) có tốn kém không?

Đầu phát sóng siêu âm (Horn) làm bằng hợp kim nhôm hàng không hoặc hợp kim Titan có tuổi thọ từ $1.5 - 3\text{ năm}$ tùy cường độ làm việc. Đe hàn hoa văn (Anvil) làm bằng thép dụng cụ SKD11 được tôi cứng bề mặt đạt $58 - 60\text{ HRC}$, giúp chống mài mòn cực tốt và chi phí bảo dưỡng định kỳ rất thấp.

5. Dây chuyền có thể tích hợp thêm bộ dập lỗ quai hạt xoài (D-cut) hoặc hàn quai rời không?

Hoàn toàn có thể tích hợp thêm cụm dập quai hạt xoài thủy lực/khí nén ngay sau Cụm 5 (căng vải) hoặc lắp đặt thêm trạm cấp và hàn quai xách siêu âm trước Cụm 7 mà không làm ảnh hưởng đến cấu trúc đồng bộ chung của 7 cụm chức năng hiện tại.

---

Kết luận

Đồ án "Hoàn thiện thiết kế và nâng cao dây chuyền sản xuất túi vải sử dụng công nghệ siêu âm" đã giải quyết thành công bài toán nội địa hóa dây chuyền sản xuất tự động công nghệ cao cho ngành bao bì xanh. Thông qua việc tính toán thiết kế tối ưu trên phần mềm Autodesk Inventor 2015, áp dụng công nghệ hàn siêu âm $20\text{ kHz}$ và điều khiển đồng bộ chuyển động, hệ thống đã đạt năng suất $40 - 60\text{ túi/phút}$ với độ bền đường dán vượt tiêu chuẩn công nghiệp ($\ge 80\text{ N}/50\text{mm}$). Kết quả này khẳng định khả năng làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo máy của đội ngũ kỹ sư trong nước, mang lại giải pháp công nghệ giá trị cao và hiệu quả kinh tế rõ rệt cho các doanh nghiệp sản xuất bao bì hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới Thiệu - Chương 2: Tổng quan cơ sở lý thuyết - Chương 3: Các nghiên cứu trong và ngoài nước - Chương 4: Ý tưởng và giải pháp thiết kế - Chương 5: Tính toán và thiết kế từng cụm - Chương 6: Chế tạo phần cơ khí và phần điện - Chương 7: Kết luận và kiến nghị 4 do an CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT I. Sơ lƣợc vềngành sản xuất bao bì 1. Tăng cƣờng nghiên cứu trong ngành công nghiệp bao bì Trong những năm gần đây, lĩnh vực nghiên cứu bao bì được đang thay đổi. Hiện nay, nghiên cứu ngành bao bì chủ yếu tập trung vào phát triển các kỹ thuật mang tính sáng tạo, trong đó bao gồm bảo vệ sản phẩm, thuận tiện cho việc sử dụng các sản phẩm đóng gói, lưu kho.

Một bao bì tốt có thể thiết lập liên kết giữa các vật liệu, sản phẩm, và quá trình đóng gói, mà cuối cùng đáp ứng được nhu cầu của khách hàng. Tất cả những yếu tố này được đưa vào xem xét trong khi tiến hành công việc nghiên cứu trên bao bì. Các lĩnh vực nghiên cứu chủ yếu hiện nay trong ngành công nghiệp bao bì. Các lĩnh vực chính của việc nghiên cứu trong ngành công nghiệp đóng gói bao gồm nghiên cứu chiến lược, nghiên cứu ứng dụng và nghiên cứu cơ bản.

• Nghiên cứu chiến lược tập trung vào những ý tưởng mới và sự đổi mới trong lĩnh vực đóng gói. Mục tiêu của nghiên cứu chiến lược là thực hiện các công nghệ mới sáng tạo cho ngành bao bì trong tương lai. • Nghiên cứu ứng dụng nói chung được tập trung tới các vấn đề cụ thể liên quan tới việc sử dụng và phân phối các sản phẩm được đóng gói. • Nghiên cứu cơ bản chủ yếu liên quan tới các hoạt động nghiên cứu bao bì thông qua công nghệ hiện đại.

Mục tiêu chính của nghiên cứu cơ bản là giải thích các vật liệu và trạng thái của hệ thống đóng gói, và do đó thiết lập sự kết nối mạnh mẽ giữa các vật liệu đóng gói và các sản phẩm. Một số lĩnh vực khác của ngành công nghiệp bao bì mà việc nghiên cứu đang được thực hiện là thiết kế đồ họa cho bao bì để làm cho bao bì hấp dẫn hơn và thuận tiện hơn đối với người tiêu dùng khi sử dụng, khi mở ra và lĩnh vực an toàn thực phẩm. Báo cáo của ngành công nghiệp bao bì toàn cầu: Theo một báo cáo phân tích thị trường của Tập đoàn SPG Media, xu hướng ngành công nghiệp bao bì toàn cầu là như sau: Ngành công nghiệp bao bì toàn cầu trị giá 424 tỷ USD , châu Âu chiếm 127 tỷ, Châu Á là 114 tỷ, Bắc Mỹ 118 tỷ, Châu Mỹ La Tinh 30 tỷ, và các nước khác chiếm 30 tỷ. Về tỷ lệ phần trăm, châu Âu chiếm 30%, Bắc Mỹ là 28%, châu Mỹ La tinh chiếm 7%, châu Á chiếm 27% và 8% là của các khu vực khác.

5 do an Nguyên liệu được sử dụng trong ngành công nghiệp bao bì toàn cầu thì giấy chiếm nhiều nhất là 36%, kim loại là 17%, nhựa 34%, thủy tinh 10% và các loại khác chiếm 3%. Chính sách quản lý liên quan tới nghiên cứu ngành công nghiệp bao bì Một số chính sách quản lý chủ yếu, thường được xem xét trong khi làm nghiên cứu tổng quan toàn ngành công nghiệp bao bì là sự quản lý chuỗi giá trị, quản lý vòng đời .Nghiên cứu ngành công nghiệp bao bì đang trở nên tích cực hơn và nhấn mạnh về các vấn đề như tái sử dụng, tái chế, thu hồi và xử lý vật liệu đóng gói. Tái chế là một trong những lĩnh vực quan trọng nhất mà rất nhiều công trình nghiên cứu đang tập trung vào. Các vấn đề môi trường và vấn đề an toàn liên quan tới khía cạnh môi trường của bao bì, gồm cả việc tái chế các bao bì và sự an toàn của các sản phẩm như sự ô nhiễm plastic.

Ngày càng có nhiều doanh nghiệp và các ngành công nghiệp tham gia vào các phong trào xanh, hoặc là của một quan tâm thực sự trong việc tiết kiệm các hành tinh hoặc mong muốn tận dụng nhu cầu tiêu dùng ngày càng tăng về cách xanh. Ví dụ, Wal-Mart dự kiến tiết kiệm để điều chỉnh tỷ đô la bằng cách giảm bao bì trên toàn chuỗi cung cấp và các khoản tín dụng carbon Wells Fargo các vấn đề để bù đắp mua thẻ tín dụng của khách hang II. Khái quát về công nghệ hàn siêu âm. Khái niệm Siêu âm là âm thanh (sóng âm) có tần số cao hơn tần số tối đa mà tai ngƣời nghe thấy đƣợc.

Tần số tối đa này tùy vào từng ngƣời, nhƣng thông thƣờng nó vào cỡ 20 kHz.1 Tần số siêu âm Siêu âm có thể lan truyền trong nhiều môi trường vật chất như không khí, các chất lỏng và rắn, và với tốc độ gần bằng tốc độ âm thanh (khoảng 344 m/s trong môi trường không khí). Do cùng tốc độ lan truyền, trong khi tần số cao hơn, bước sóng của siêu âm thường ngắn hơn bước sóng của âm thanh. Nhờ bước sóng ngắn, 6 do an độ phân giải của ảnh chụp siêu âm thường đủ để phân biệt các vật thể ở kích thước cỡ cm hoặc mm. Do đó, siêu âm ngày càng được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực như y học, sinh học, hóa học, công nghiệp, nông nghiệp và thực phẩm… Hàn siêu âm Ultrasonic welding (UW) là quá trình hàn áp lực ,sử dụng năng lượng cơ học của dao động siêu âm làm biến dạng dẻo cục bộ tại bề mặt mối ghép, làm cho các phần tử của các chi tiết hàn khuếch tán, thẩm thấu lẫn nhau và liên kết với nhau tạo thành mối hàn.Quá trình tạo liên kết hàn trong hàn siêu âm.2 Hàn siêu âm 1.

Ƣu nhƣợc điểm, ứng dụng 1.Ƣu điểm: Có khả năng tự phá bỏ lớp oxit bề mặt và làm sạch tốt dầu mỡ nhờ có ma sát ,dịch trượt giữa các vật hàn .Hàn siêu âm có khả năng hàn nối các chi tiết kim loại mà không cần làm sạch lớp bề mặt, không cần nấu chảy chỗ hàn. Hàn siêu âm có thể hàn tốt những kim loại có điện trở nhỏ (như đồng điện kỹ thuật , nhôm, bạc, vàng…) mà các phương pháp khác không đáp ứng được. Hàn siêu âm có ưu điểm là có thể hàn được các lá kim loại mỏng, hàn các giấy kim loại. Hàn siêu âm có thể hàn các kim loại khác nhau với nhau, hàn kim loại với phi kim, hàn chất dẻo, hàn xương… Hàn siêu âm cho phép các chi tiết hàn có tỷ lệ chiều dày tới 1:1000 Hàn siêu âm tiêu tốn ít năng lượng, dễ tự động hóa, thời gian hàn nhanh.Nhƣợc điểm: Nhược điểm cơ bản của hàn siêu âm là chất lượng mối hàn không ổn định.

- Chỉ thích hợp hàn với vật liệu mỏng. - Giá thành thiết bị tương đối cao.Ứng dụng: Hàn siêu âm là một phương pháp hàn tiên tiến, rất có triển vọng. - Ứng dụng trong y học  Thiết bị siêu âm là một thiết bị rất có hiệu quả trong việc ghi nhận hình ảnh của các mô mềm. Những cấu trúc nằm ở bề mặt như cơ, dây chằng, và não được quan sát với tần số cao (7-18 MHz).

Những cấu trúc nằm sâu bên trong cơ thể như gan, thận được khảo sát với sóng âm có tần số thấp hơn từ 1 đến 6 Mhz.  Tác dụng đầu tiên của siêu âm trong điều trị là tác dụng về mặt cơ học, do tác dụng của sóng siêu âm gây nên những thay đổi áp lực tương ứng với tần số siêu âm. Với tần số càng lớn (trên 3MHz) sự thay đổi áp lực nhanh hơn so với tần số thấp (dưới 1 MHz). Sự thay đổi áp lực có thể gây ra thay đổi thể tích tế bào, thay đổi tính thấm màng tế bào, tăng chuyển hóa…Tác dụng cơ học phụ thuộc vào cường độ siêu âm (W/cm2) và chế độ liên tục hay xung.

 Tác dụng khác của siêu âm là tác dụng sinh nhiệt. Sự sinh nhiệt của siêu âm là do hiện tượng cọ xát và chuyển từ năng lượng cơ học sang năng lượng nhiệt. Siêu âm có thể tác động tới độ sâu từ 3-5cm.3 Máy siêu âm 9 do an  Từ tác dụng cơ học và tác dụng nhiệt dẫn đến tác động sinh học như: tăng tuần hoàn và dinh dưỡng do tăng nhiệt độ, tăng tính thấm của mạch máu và tổ chức, giãn cơ do kích thích trực tiếp của siêu âm lên các thụ cảm thể thần kinh, tăng tính thấm của màng tế bào, kích thích quá trình tái sinh tổ chức, tác dụng lên hệ thần kinh ngoại vi, giảm đau. - Ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp  Siêu âm thường dùng phổ biến trong các lĩnh vực công nghiệp và nông nghiệp như: hàn siêu âm, kiểm tra chất lượng sản phẩm, gia công vật liệu cứng, sấy khô bằng siêu âm….

 Ngày nay, nhờ những tiến bộ về khoa học kỹ thuật mà các thiết bị kiểm tra bằng siêu âmđược phát triển rất da dạng và trong nhiều lĩnh vực như: kiểm tra bề dày, độ đồng đều, phát hiện khuyết tật trong kim loại, kiểm tra vết nứt, chất lượng bê tông,. Tín hiệu siêu âm được phát đến sản phẩm, từ sản phẩm sóng được phản xạ sẽ được chuyển thành tín hiệu điện nhờ biến tử và thể hiện trên màn hình. Từ thông tin nhận được này, chúng ta có thể biết được vị trí, kích thước của khuyết tật và độ chắc đặc của vật liệu đang kiểm tra.4 Hàn túi nhựa bằng siêu âm 10 do an  Ngoài ra, nhờ vào khả năng tác dụng cơ học lớn của dao động siêu âm, ngành công nghiệp đã ứng dụng nó vào việc hàn một số vật liệu. Năng lượng cơ học của dao động siêu âm được sử dụng làm biến dạng dẻo cục bộ tại bề mặt mối ghép, làm cho các phần tử của các chi tiết hàn khuếch tán, thẩm thấu lẫn nhau và liên kết với nhau tạo thành mối hàn.

Hàn siêu âm thường dùng tần số vào khoảng vài chục Khz cho mối hàn với kích thước rất nhỏ. Hàn siêu âm được dùng để hàn các chi tiết tinh vi mà không cần đòi hỏi phải làm sạch trước khi hàn.  Siêu âm còn được ứng dụng trong việc sấy khô các loại vật liệu. Trước đây, có nhiều phương pháp sấy, song hầu hết là sấy nóng.

Tuy nhiên, có nhiều loại vật liệu, vật phẩm không thể sấy khô bằng nhiệt vì nhiệt độ cao sẽ làm thay đổi các tính chất hóa, lý của chúng. Vì vậy, sấy khô bằng siêu âm được lựa chọn như là một giải pháp tối ưu. - Thường được dùng hàn các màng mỏng,trong công nghiệp điện,điện tử và cơ khí chính xác.