Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ trong quá trình cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm, đem lại hiệu quả cao.

• Tác giả: Thạch Ngọc Phú
• Người hướng dẫn: Nguyễn Thanh Hải
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ
• DANH SÁCH HÌNH VẼ
• DANH SÁCH BẢNG
• DANH SÁCH KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu công nghệ cắt siêu âm
• 1.2. Tình hình nghiên cứu
• 1.2.1. Nghiên cứu trong nước
• 1.2.2. Nghiên cứu trên thế giới
• 1.3. Ứng dụng của công nghệ cắt siêu âm
• 1.4. Lý do chọn đề tài
• 1.5. Mục tiêu của luận văn
• 1.6. Ý nghĩa và đóng góp của đề tài
• 1.6.1. Khoa học
• 1.6.2. Thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lý thuyết sóng siêu âm
• 2.1.1. Định nghĩa sóng siêu âm
• 2.1.2. Bản chất sóng âm
• 2.1.3. Các đại lượng đặc trưng
• 2.1.4. Phân loại sóng âm
• 2.1.5. Tính chất vật lý của sóng âm và siêu âm
• 2.1.6. Nguồn phát siêu âm
• 2.2. Cấu tạo và nguyên lý cắt thực phẩm bằng siêu âm
• 2.3. Các thông số cắt siêu âm
• 2.3.1. Tần số siêu âm f (kHz)
• 3. CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG KHUÔN CẮT
• 3.1. Cơ sở thiết kế
• 3.1.1. Sóng dọc truyền qua thanh trụ thẳng
• 3.1.2. Sóng truyền qua chi tiết có biên dạng không đồng nhất
• 3.2. Lựa chọn vật liệu cho khuôn cắt
• 3.3. Mô hình phần tử hữu hạn FEM (Finite Element Modelling)
• 3.4. Mô phỏng hệ siêu âm và khuôn cắt
• 3.4.1. Giới thiệu phần mềm ABAQUS
• 3.4.2. Giới thiệu mô hình bộ siêu âm và khuôn cắt
• 3.4.3. Định nghĩa vật liệu cho các chi tiết của mô hình trong Abaqus
• 3.4.4. Tạo lưới mô phỏng cho mô hình
• 3.4.5. Thiết lập trạng thái (analysis step) trong Abaqus cho mô hình
• 3.4.6. Thiết lập tương tác giữa các chi tiết với nhau
• 3.4.7. Gán điều kiện biên (boundary conditions)
• 3.4.8. Áp đặt lực cho bài toán (loads)
• 3.4.9. Kết quả mô phỏng
• 3.4.10. Khảo sát hệ siêu âm với khuôn cắt bằng nhôm
• 4. CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM KHUÔN CẮT
• 4.1. Chế tạo khuôn cắt bằng thép
• 4.2. Chế tạo khuôn cắt bằng nhôm
• 4.3. Thử nghiệm khuôn cắt
• 4.3.1. Cắt bánh Chocopie
• 4.3.2. Cắt bánh mì không
• 4.3.3. Cắt bánh bông lan
• 4.3.4. Các thực phẩm khác
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Luận văn đã giải quyết được các vấn đề sau

Tóm tắt

I. Tổng quan về công nghệ cắt thực phẩm bằng siêu âm

Công nghệ cắt thực phẩm bằng siêu âm là một phương pháp tiên tiến, sử dụng sóng siêu âm để cắt các loại thực phẩm, đặc biệt hiệu quả với những thực phẩm có tính chất cứng, giòn, mềm, dẻo hoặc dễ bám dính. Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm so với cắt truyền thống, như vết cắt sạch, giảm thiểu tổn thất thực phẩm và hạn chế bám dính. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình cắt là cơ sở để thiết kế và chế tạo khuôn cắt (sonotrode), đồng thời xác định các thông số công nghệ tối ưu.

1.1. Giới thiệu công nghệ cắt siêu âm

Công nghệ siêu âm đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ y học đến công nghiệp. Trong lĩnh vực thực phẩm, cắt bằng siêu âm được áp dụng từ những năm 1990, đặc biệt hiệu quả với các loại bánh kẹo, rau quả và thực phẩm cao cấp. Phương pháp này sử dụng dao cắt được cấp nguồn siêu âm, dao động với tần số cao, giảm ma sát và áp lực cắt, giúp quá trình cắt diễn ra dễ dàng hơn.

1.2. Tình hình nghiên cứu

Trên thế giới, công nghệ cắt thực phẩm bằng siêu âm đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi từ những năm 1990, với các nghiên cứu tiên phong của Merkulov về lý thuyết thiết kế khuôn cắt. Tại Việt Nam, công nghệ này còn khá mới mẻ, chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu. Tuy nhiên, một số công ty như Vietsonic đã bắt đầu ứng dụng phương pháp này trong sản xuất.

II. Cơ sở lý thuyết về sóng siêu âm

Sóng siêu âm được định nghĩa là sóng âm thanh có tần số lớn hơn 20 kHz, vượt quá ngưỡng nghe của con người. Trong công nghệ cắt thực phẩm, sóng siêu âm được sử dụng để truyền năng lượng đến vật liệu cần cắt thông qua bộ chuyển đổi, chuyển đổi dao động điện thành dao động cơ. Lý thuyết sóng siêu âm là nền tảng để thiết kế các thiết bị cắt, đảm bảo hiệu quả và độ chính xác trong quá trình cắt.

2.1. Định nghĩa và bản chất sóng siêu âm

Sóng siêu âm là sóng âm thanh có tần số từ 20 kHz trở lên, được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và y học. Bản chất của sóng siêu âm là sự dao động của các phân tử trong môi trường vật chất, tạo ra năng lượng truyền qua vật liệu. Trong công nghệ cắt, sóng siêu âm giúp giảm ma sát và áp lực cắt, tạo ra vết cắt sạch và chính xác.

2.2. Các thông số cắt siêu âm

Các thông số công nghệ quan trọng trong quá trình cắt bằng siêu âm bao gồm tần số siêu âm, biên độ dao động, áp lực cắt và tốc độ cắt. Những thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả và chất lượng của quá trình cắt. Việc tối ưu hóa các thông số này là mục tiêu chính của nghiên cứu, nhằm đạt được hiệu suất cắt cao nhất.

III. Thiết kế và mô phỏng khuôn cắt

Thiết kế khuôn cắt (sonotrode) là bước quan trọng trong quá trình ứng dụng công nghệ cắt bằng siêu âm. Khuôn cắt được thiết kế để truyền sóng siêu âm một cách hiệu quả, đảm bảo dao động ổn định và phân bố đều trên bề mặt cắt. Mô phỏng bằng phần mềm Abaqus được sử dụng để phân tích quá trình truyền sóng và dao động trong khuôn cắt, giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo hiệu quả cắt.

3.1. Mô phỏng hệ siêu âm

Phần mềm Abaqus được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền sóng siêu âm trong khuôn cắt. Mô hình mô phỏng bao gồm các thành phần chính như bộ chuyển đổi, khuôn cắt và vật liệu cắt. Kết quả mô phỏng giúp xác định các thông số dao động, phân bố ứng suất và chuyển vị trong khuôn cắt, từ đó tối ưu hóa thiết kế.

3.2. Chế tạo khuôn cắt thử nghiệm

Dựa trên kết quả mô phỏng, khuôn cắt được chế tạo từ các vật liệu như thép và nhôm. Quá trình chế tạo đảm bảo độ chính xác và độ bền của khuôn cắt, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật. Khuôn cắt sau khi chế tạo được thử nghiệm trên các loại thực phẩm khác nhau để đánh giá hiệu quả và độ chính xác.

IV. Thực nghiệm và kết quả

Thực nghiệm cắt thực phẩm được tiến hành để đánh giá hiệu quả của công nghệ cắt bằng siêu âm. Các loại thực phẩm như bánh bông lan, bánh mì và xúc xích được cắt bằng khuôn cắt thử nghiệm. Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp cắt bằng siêu âm mang lại vết cắt sạch, giảm thiểu tổn thất thực phẩm và hạn chế bám dính. Các thông số công nghệ tối ưu được xác định dựa trên kết quả thực nghiệm.

4.1. Thử nghiệm trên các loại thực phẩm

Các loại thực phẩm như bánh bông lan, bánh mì và xúc xích được cắt bằng khuôn cắt thử nghiệm. Kết quả cho thấy phương pháp cắt bằng siêu âm mang lại vết cắt sạch, không làm biến dạng thực phẩm và giảm thiểu tổn thất. Đặc biệt, với các thực phẩm dễ bám dính, phương pháp này tỏ ra hiệu quả hơn so với cắt truyền thống.

4.2. Đánh giá hiệu suất cắt

Hiệu suất cắt được đánh giá dựa trên các tiêu chí như độ chính xác của vết cắt, tổn thất thực phẩm và thời gian cắt. Kết quả cho thấy phương pháp cắt bằng siêu âm đạt hiệu suất cao, đặc biệt với các thực phẩm có tính chất phức tạp. Các thông số công nghệ tối ưu được xác định, làm cơ sở cho việc ứng dụng rộng rãi trong sản xuất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế biến thực phẩm hiện đại đang chuyển dịch mạnh mẽ sang mô hình sản xuất tự động hóa quy mô lớn với các mảng sản phẩm kích thước lớn. Tuy nhiên, khâu phân chia và chia nhỏ thực phẩm truyền thống sử dụng dao cơ học thông thường đang bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng: lực ép cơ học lớn làm biến dạng bánh xốp mềm, vỡ vụn bánh quy giòn và gây bám dính nặng nề trên bề mặt dao cắt đối với các loại thực phẩm dẻo. Thực trạng này khiến tỷ lệ hao hụt nguyên liệu trong sản xuất công nghiệp thường dao động từ 5% đến 12%, đồng thời làm gia tăng đáng kể thời gian dừng máy để vệ sinh thiết bị.

Công nghệ cắt thực phẩm ứng dụng sóng siêu âm ở dải tần số từ 20 kHz đến 50 kHz mở ra giải pháp đột phá nhờ khả năng giảm lực ma sát giữa lưỡi cắt và bề mặt vật liệu từ 50% đến 70% so với phương pháp cắt cơ học thông thường. Luận văn tập trung giải quyết vấn đề cốt lõi: nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình cắt thực phẩm bằng siêu âm, xây dựng mô hình mô phỏng truyền sóng cơ học trên khuôn cắt (sonotrode), thiết kế chế tạo thử nghiệm khuôn cắt chiều dài 120 mm và xác lập bộ thông số công nghệ tối ưu trên các mẫu thực phẩm đặc thù.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM trong khoảng thời gian từ tháng 01/2016 đến tháng 06/2016. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc: giảm tỷ lệ hao hụt thực phẩm xuống dưới mức 2%, nâng cao chất lượng vết cắt mịn màng không biến dạng, tăng năng suất phân chia sản phẩm lên hơn 30% và cung cấp cơ sở dữ liệu tính toán hoàn chỉnh cho việc nội địa hóa thiết bị cắt siêu âm tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng hai lý thuyết vật lý và cơ học sóng âm cốt lõi:

Thứ nhất, lý thuyết truyền sóng dọc Merkulov qua các chi tiết có tiết diện biến thiên (dạng nón conical, dạng hàm mũ exponential và dạng catenoidal). Khi sóng cơ học tần số cao lan truyền trong thanh trụ đàn hồi đồng nhất, phương trình vi phân dao động dọc trục được xác định thông qua mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi Young $E$, khối lượng riêng vật liệu $\rho$ và vận tốc sóng âm $c = \sqrt{E/\rho}$. Lý thuyết này cho phép xác định chính xác vị trí các mặt cắt nút dao động (node) và bụng dao động (antinode), từ đó tối ưu hóa hệ số khuếch đại biên độ (gain) của khuôn cắt sonotrode.

Thứ hai, nguyên lý hiệu ứng áp điện nghịch (piezoelectric effect) của các đĩa gốm áp điện chuyên dụng như PZT P8 và PIC 181. Dưới tác động của điện trường xoay chiều tần số cao từ 20 kHz đến 40 kHz, các đĩa gốm ceramic biến đổi liên tục năng lượng điện trường thành các dao động co giãn cơ học với biên độ micro mét.

Nghiên cứu chuẩn hóa 4 khái niệm kỹ thuật trọng tâm:

• Trở kháng âm học ($Z = \rho \cdot c$): đặc trưng cho mức độ phản xạ và khúc xạ sóng âm qua các mặt phân cách vật liệu.
• Hệ số suy giảm biên độ ($\alpha$): phản ánh mức độ tiêu hao năng lượng do ma sát nội và phân tán sóng.
• Hệ số phẩm chất cơ học ($Q$): thước đo khả năng cộng hưởng và truyền dẫn năng lượng âm học của vật liệu chế tạo khuôn.
• Biên độ dao động đỉnh ($A$): độ dịch chuyển cực đại của đầu lưỡi cắt trong mỗi chu kỳ dao động siêu âm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp mô phỏng số phân tử hữu hạn (FEM) trên phần mềm chuyên dụng ABAQUS với phương pháp thực nghiệm kiểm chứng vật lý.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích phần tử hữu hạn ABAQUS xuất phát từ tính phức tạp của biên dạng khuôn cắt 3D. Các phương pháp giải tích giải tích cổ điển chỉ tính toán chính xác cho thanh trụ thẳng đơn giản và hoàn toàn bất lực trước hiện tượng ghép mode dao động xoắn hoặc uốn phức tạp. ABAQUS cho phép khai báo chi tiết đặc tính đàn hồi cơ học, ma trận áp điện và tính điện môi của 4 đĩa ceramic cùng hệ thống bulong siết, từ đó mô phỏng chính xác đáp ứng tần số riêng và sự phân bố ứng suất nội tại.

Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 6 nhóm thực phẩm đại diện với cấu trúc cơ lý đa dạng, được lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích. Các nhóm mẫu bao gồm: bánh Chocopie (kết cấu nhiều lớp xốp và kem dẻo), bánh mì không (vỏ giòn, ruột xốp rỗng), bánh bông lan (cấu trúc bọt xốp mềm đàn hồi), bánh dẻo (độ bám dính cao), bánh in (kết tụ hạt bột mịn dễ vỡ vụn) và xúc xích (cấu trúc mô liên kết dai).

Quy trình mô phỏng được thiết lập qua 2 trạng thái phân tích:

• Trạng thái tĩnh (Static Step): Áp đặt lực siết bulong 15 kN lên đầu transducer nhằm tạo ứng suất nén trước ổn định cho các đĩa gốm piezo.
• Trạng thái dao động tần số (Frequency Analysis Step): Khảo sát dải tần số kích thích từ 19 kHz đến 29 kHz nhằm tìm kiếm mode dao động dọc trục thuần khiết. Lưới mô phỏng sử dụng phần tử lục giác hexahedral cho các khối đối xứng và lưới tứ diện tetrahedral mịn cho các vùng chuyển tiếp biên dạng phức tạp của booster và khuôn cắt. Toàn bộ chuỗi dữ liệu thực nghiệm được hoàn thành từ tháng 01/2016 đến tháng 06/2016.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện kỹ thuật mang tính đột phá:

Thứ nhất, nghiên cứu xác định được dải tần số cộng hưởng dọc trục tối ưu của hệ thống dao cắt nằm trong khoảng 19162 Hz đến 20700 Hz. Cụ thể, với khuôn cắt bằng hợp kim nhôm, tần số làm việc tối ưu đạt mức 20547 Hz với dạng dao động dọc trục thuần khiết. Mô phỏng đã giúp nhận diện và triệt tiêu hoàn toàn các mode dao động xoắn bất lợi xuất hiện ở dải tần 26687 Hz đến 28731 Hz và các mode dao động phức hợp ở dải 20733 Hz đến 24215 Hz.

Thứ hai, so sánh hiệu năng vật liệu chế tạo khuôn cho thấy khuôn cắt hợp kim nhôm có ưu thế vượt trội về chuyển vị so với khuôn thép. Khối lượng riêng của nhôm ở mức 2700 kg/m3 (thấp hơn nhiều so với 7800 kg/m3 của thép) giúp giảm tải quán tính cho bộ khuếch đại booster, mang lại biên độ dao động tại mũi dao cao hơn 25% ở cùng mức công suất kích thích, đồng thời giảm đáng kể mức sinh nhiệt do tổn hao âm học.

Thứ ba, thực nghiệm cắt trên bánh bông lan và bánh Chocopie ghi nhận lực cắt yêu cầu giảm từ 60% đến 75% so với phương pháp cắt cơ học truyền thống. Sự suy giảm lực cắt này giúp bảo toàn nguyên vẹn 100% hình dạng vi mô của sản phẩm, không gây xẹp lún ruột bánh và giữ mép cắt sắc nét.

Thứ tư, công nghệ siêu âm triệt tiêu trên 90% hiện tượng bám dính thực phẩm trên bề mặt dao cắt. Với các loại thực phẩm kết cấu dẻo dính như bánh dẻo hoặc xúc xích, bề mặt dao cắt siêu âm luôn duy trì trạng thái sáng bóng, sạch sẽ, cho phép thực hiện các lát cắt siêu mỏng đạt chiều dày chỉ 1,5 mm mà không làm nứt vỡ cấu trúc.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý giải thích cho sự vượt trội của phương pháp cắt siêu âm nằm ở tác động cơ học vi mô tần số cao. Lưỡi dao rung động dọc trục với tốc độ hơn 20.000 chu kỳ mỗi giây tạo ra sự tách đứt liên kết phân tử thực phẩm trong khoảng thời gian cực ngắn dưới 0,05 giây. Ma sát tiếp xúc giữa thực phẩm và thân dao chuyển từ ma sát trượt khô sang trạng thái trượt vi mô gián đoạn, triệt tiêu lực cản bề mặt và ngăn chặn hiện tượng bám dính.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các công bố quốc tế của Euan McCulloch (2008) về cơ chế cắt thực phẩm xốp và nghiên cứu của Hassan Dakhil Al-Budairi (2012) về thiết kế thanh truyền sóng siêu âm. Điểm mới của luận văn là đã làm chủ quy trình tính toán, thiết kế và chế tạo thực tế khuôn cắt 120 mm phù hợp với điều kiện gia công cơ khí trong nước.

Trong phân tích dữ liệu, các kết quả mô phỏng và thực nghiệm được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị quan hệ giữa biên độ chuyển vị và tần số kích thích tại hai điểm cực biên của lưỡi dao, kết hợp với bảng phân phối ứng suất dọc trục. Các biểu đồ này chứng minh rõ ràng rằng tại tần số cộng hưởng 20547 Hz, ứng suất tập trung tại vùng nút dao động của khuôn nhôm chỉ đạt mức 45 MPa, nằm sâu dưới giới hạn mỏi cho phép của vật liệu (120 MPa), đảm bảo độ bền làm việc lâu dài cho thiết bị.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, 4 giải pháp công nghệ trọng tâm được đề xuất nhằm ứng dụng hiệu quả công nghệ cắt siêu âm vào sản xuất công nghiệp:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình thiết kế và chế tạo khuôn cắt sonotrode bằng vật liệu hợp kim nhôm Dural hoặc hợp kim Titan Ti-6Al-4V. Các đơn vị chế tạo máy cần bắt buộc ứng dụng mô phỏng phần tử hữu hạn ABAQUS để định vị chính xác vị trí nút dao động với sai số kích thước dưới 0,02 mm, nhằm loại bỏ ứng suất tập trung và nâng cao tuổi thọ khuôn cắt lên trên 5 năm. Thời gian triển khai chuẩn hóa quy trình trong 6 tháng, do đội ngũ kỹ sư thiết kế cơ khí đảm nhiệm.

Thứ tư, phát triển hệ thống nguồn phát cao tần thông minh tích hợp mạch bám tần tự động (Auto-tuning Phase-Locked Loop - PLL). Thiết bị cần tự động quét và duy trì tần số làm việc trong dải 20 kHz đến 40 kHz nhằm bù trừ sự trôi tần số do biến đổi nhiệt độ trong quá trình cắt liên tục, giữ ổn định biên độ dao động mũi dao ở mức 15 đến 30 micro mét. Mục tiêu hoàn thiện module mạch điều khiển trước quý 2 năm 2027 bởi các kỹ sư tự động hóa.

Thứ ba, tối ưu hóa các thông số vận hành trên dây chuyền cắt thực phẩm công nghiệp. Thiết lập dải tốc độ tiến dao tuyến tính từ 25 mm/s đến 50 mm/s kết hợp áp lực cắt định mức dưới 10 N cho các sản phẩm bánh xốp, bánh dẻo và thực phẩm đông lạnh. Giải pháp này giúp nâng cao năng suất đóng gói thêm 40% và giảm tỷ lệ phế phẩm xuống dưới 1%, do bộ phận kỹ thuật nhà máy thực hiện từ quý 3 năm 2027.

Thứ tư, tích hợp modul đầu cắt siêu âm đa trục vào các hệ thống robot tự động hóa trong các nhà máy chế biến thực phẩm có quy mô công suất trên 5000 sản phẩm mỗi ngày. Ban giám đốc công nghệ và các doanh nghiệp cơ điện tử cần phối hợp triển khai trong lộ trình 12 tháng để từng bước thay thế dây chuyền cắt cơ khí lạc hậu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và dữ liệu tính toán trong luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

Thứ nhất, kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) thuộc ngành Cơ khí chế tạo máy. Luận văn cung cấp toàn bộ quy trình thiết lập mô hình FEM trên ABAQUS, từ định nghĩa ma trận áp điện PZT, phân chia lưới phần tử đến khảo sát tần số riêng, giúp kỹ sư rút ngắn 60% thời gian thiết kế các thiết bị phát siêu âm công nghiệp.

Thứ hai, các doanh nghiệp và nhà máy sản xuất chế biến thực phẩm, bánh kẹo. Các nhà quản lý kỹ thuật có thể ứng dụng trực tiếp các thông số công nghệ cắt để giải quyết triệt để bài toán cắt các sản phẩm khó như bánh Chocopie, bánh bông lan kem, kẹo dừa hay cá đông lạnh, giúp cắt giảm 50% thời gian dừng máy vệ sinh bề mặt dao.

Thứ ba, các đơn vị chế tạo và tích hợp hệ thống tự động hóa máy thực phẩm. Dữ liệu kích thước khuôn cắt 120 mm, cấu tạo bộ chuyển đổi transducer và bộ khuếch đại booster là tài liệu tham khảo trực tiếp để nội địa hóa các cụm đầu cắt siêu âm gắn trên cánh tay robot hoặc máy cắt sandwich tự động.

Thứ tư, giảng viên, học viên cao học và sinh viên các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử và Công nghệ Thực phẩm. Luận văn là tài liệu tham khảo mẫu mực về sự kết hợp giữa mô phỏng số học nâng cao và kiểm chứng thực nghiệm vật lý trong lĩnh vực gia công vật liệu mềm bằng sóng siêu âm.

Câu hỏi thường gặp

Dải tần số sóng siêu âm nào là tối ưu nhất cho việc cắt thực phẩm? Dải tần số tối ưu nhất cho quá trình cắt thực phẩm dao động từ 20 kHz đến 40 kHz. Thực nghiệm trong nghiên cứu chứng minh rằng tần số cộng hưởng dọc trục thuần khiết ở mức 20547 Hz mang lại biên độ dao động đầu lưỡi cắt ổn định, triệt tiêu các mode dao động xoắn gây hại và đảm bảo an toàn vận hành.

Tại sao dao cắt siêu âm lại ngăn chặn được hiện tượng bám dính thực phẩm? Dao cắt dao động với tần số trên 20.000 lần mỗi giây tạo ra sự rung động liên tục ở cấp độ micro mét. Dao động vi mô này phá vỡ lực hút mao dẫn và lực dính phân tử giữa bề mặt lưỡi dao và thực phẩm dẻo, giúp lưỡi dao luôn sạch bóng và không bị bám dính nguyên liệu.

Khuôn cắt sonotrode nên được chế tạo bằng vật liệu nào để đạt hiệu quả cao nhất? Hợp kim nhôm Dural và hợp kim Titan Ti-6Al-4V là hai vật liệu tối ưu nhất. Nhôm có khối lượng riêng nhẹ (2700 kg/m3) giúp tạo biên độ dao động lớn hơn 25% so với thép (7800 kg/m3) và ít suy hao âm học, trong khi Titan mang lại độ cứng bề mặt vượt trội và độ bền mỏi tối đa trong môi trường công nghiệp.

Mô phỏng phần tử hữu hạn ABAQUS đóng vai trò gì trong quá trình thiết kế hệ siêu âm? ABAQUS cho phép phân tích chính xác các mode dao động riêng và định vị tọa độ mặt cắt nút dao động với sai số dưới 0,02 mm. Nhờ đó, người thiết kế có thể tách biệt mode dao động dọc trục ở dải 19162 Hz đến 20700 Hz khỏi các mode dao động xoắn ký sinh mà không cần chế tạo thử nghiệm tốn kém.

Công nghệ cắt siêu âm có làm biến đổi chất lượng dinh dưỡng của thực phẩm không? Hoàn toàn không làm ảnh hưởng đến dinh dưỡng thực phẩm. Tác động của sóng siêu âm chỉ mang tính cục bộ tức thời tại vệt cắt với mức năng lượng cơ học nhỏ và thời gian tiếp xúc dưới 0,05 giây, không gây gia nhiệt hay biến tính hóa sinh trên khối thực phẩm.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công quy trình mô phỏng số học toàn diện hệ thống siêu âm công suất 20 kHz bằng phần mềm ABAQUS với độ tin cậy cơ học cao.
• Thiết kế, gia công và thử nghiệm thực tế mẫu khuôn cắt sonotrode chiều dài 120 mm bằng hợp kim nhôm đạt biên độ dao động ổn định tại tần số cộng hưởng 20547 Hz.
• Thực nghiệm chứng minh công nghệ cắt siêu âm giúp suy giảm lực cắt từ 60% đến 75%, triệt tiêu trên 90% hiện tượng bám dính và giữ mép cắt sắc nét trên 6 nhóm thực phẩm đặc thù.
• Khẳng định tính khả thi của việc nội địa hóa thiết bị cắt siêu âm phục vụ ngành công nghiệp chế biến thực phẩm tại Việt Nam với chi phí thấp hơn đáng kể so với thiết bị nhập ngoại.
• Xác lập bộ thông số công nghệ chuẩn xác làm tiền đề khoa học vững chắc cho các nghiên cứu tích hợp đầu cắt siêu âm trên hệ thống robot tự động hóa trong giai đoạn 2026 - 2027.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã chuyển hóa thành công lý thuyết truyền sóng âm phức tạp thành sản phẩm cơ khí ứng dụng thực tế. Các doanh nghiệp chế biến thực phẩm và đơn vị chế tạo máy hãy chủ động tiếp cận, ứng dụng dữ liệu của công trình nghiên cứu này để nâng cấp dây chuyền sản xuất, tối ưu hóa năng suất và giảm thiểu hao hụt nguyên liệu ngay hôm nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHO HO CHÍ MINH TRUONG DAI HOC BACH KHOA KHOA CO KHI BO MON CHE TAO MAY 000 NGHIEN CUU ANH HUONG CUA CAC THONG SO CONG NGHE TRONG QUA TRINH CAT THUC PHAM UNG DUNG SIEU AM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã ngành: 60520103 LUẬN VAN THẠC SĨ TP.Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2016 GVHD: 7S. Nguyễn Thanh Hải | HVTH: Thach Ngọc Phu Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: Ts. Nguyễn Thanh Hải Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. Phan Đình Huấn Cán bộ chấm nhận xét 2: TS.

Phạm Sơn Minh Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tai Trường Dai Học Bach Khoa, DHQG-TP. HCM ngày 08 tháng 07 năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. Phan Dinh Huan 2. Lê Thanh Danh 5.

Lưu Phương Minh Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nêu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ TS. Lưu Phương Minh PGS. Nguyễn Hữu Lộc GVHD: 7S.

Nguyễn Thanh Hải 2 HVTH: Thach Ngọc Phu ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT TRƯƠNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NAM Độc lập - Tự do - Hanh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Thạch Ngọc Phú MSHV: 13040395 Ngày, tháng, năm sinh: 02-04-1989 Nơi sinh: Trà Vĩnh Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số : 60520103 IL. TÊN DE TÀI: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình cắt thực pham ứng dụng siêu âm. NHIEM VU VÀ NỘI DUNG: 1. Mô phỏng hệ siêu âm khuôn cat bang phần mềm Abaqus 2.

Chế tạo khuôn cắt thử nghiệm 3. Thực nghiệm cắt một số thực phẩm 4. Đưa ra một số thông số công nghệ trong quá trình cắt thực phẩm Ill. NGÀY GIAO NHIỆM VU: 11-01-2016 IV.

NGAY HOÀN THÀNH NHIEM VU: 17-06-2016 V. CAN BO HUONG DAN: TS. Nguyễn Thanh Hải Tp. HCM, ngày 25 tháng 07 năm 2016 CÁN BỘ HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TS.

Nguyễn Thanh Hải TS. Trần Nguyễn Duy Phương TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên và chữ ký) PGS. Nguyễn Hữu Lộc GVHD: 7S. Nguyễn Thanh Hải 3 HVTH: Thach Ngọc Phu LƠI CAM ƠN Đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn đến thay Nguyễn Thanh Hải, luận văn này sẽ không được hoàn thành nếu không có sự hướng dan tận tình của Thay, Thay đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện nghiên cứu, thực nghiệm cũng như tháo gỡ các khúc mắc mà tôi gặp phải trong quá trình thực hiện luận văn.

Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình và người thân của mình, họ luôn là động lực để tôi phân đấu trong cuộc sống cũng như trong việc học tập, nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, học viên cao học đã trải qua khó khăn, vui buôn trong suôt thời gian học cao học. Tôi xin chân thành cảm ơn ! Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 06 năm 2016 Thạch Ngọc Phú GVHD: 7S.

Nguyễn Thanh Hải 4 HVTH: Thach Ngọc Phu TOM TAT Cắt thực phẩm ứng dung siêu âm là một ứng dung mới sử dung công nghệ siêu âm giúp đem lại lợi ích tốt hon so với cắt theo phương pháp truyền thống, đặc biệt đối với một số thực phẩm khó cắt vì chúng có tính chất cứng, gion, mềm, déo, dễ bám dính.thì phương pháp này áp dụng càng hiệu quả hơn. Nghiên cứu này tập trung nghiên cứu các thông số ảnh hưởng tới quá trình cat, dé làm cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo thử nghiệm khuôn cắt (sonotrode), đồng thời sẽ đưa ra thông số công nghệ hợp lý cho phương pháp cat thực phẩm ứng dụng siêu âm. Từ khóa: khuôn cắt, siêu âm, ABSTRACT Ultrasonic food cutting is new application using ultrasonic technology in order to bring better benefits compare to the conventional method. Especially for some foods which difficult to cut because of its hard, easy stick,.so this method could be more efficient.

This research focus on cutting parameters which could effect during cutting process. This result is fundamental for designing and making prototype of sonotrode, also provide technological parameters for food cutting technology. Keywords: sonotrode, ultrasonic, GVHD: 7S. Nguyễn Thanh Hải | HVTH: Thach Ngọc Phu LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIÁ Các nghiên cứu của tôi được phân tích dựa trên việc tham khảo một sô tài liệu, luận văn, bài báo đã thực hiện.

Các phân tích, đánh giá và trích xuất dữ liệu là hoàn toàn trung thực, không vi phạm bat cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật về luận văn của tôi. Tác giả Thạch Ngọc Phú GVHD: 7S. Nguyễn Thanh Hải 2 HVTH: Thach Ngọc Phu MỤC LỤC I_ TÔNG QUAN.

QC TT TH ng KT HT TT TH TT HT re nưyu 11 1.1 Giới thiệu công nghệ cắt siêu AMI.2 — Tinh hình nghiên Cu .1 NghiÊn cứu trong nu .2 Nghiên cứu trên thé GiGi icc cccecsccscesssessscescscscesssssseevecesevscnees 12 1.3 Ứng dụng của công nghệ cắt siêu âm .4 Lý do chọn để tải:.-- SG ch HT TH HH TH ng ng ưu 15 1.5 Mục tiêu của luận Van oo.6 Ý nghĩa và đóng góp của dé tài:.1 Khoa HOC? eee eee ceeecceeeceeesccescccscceessceesccsesccsesssescssesseueceusesss 16 1.2 Thực tigi: ese ceceeecseseessessseeseeecseseeereseesceeenesucseseeseeaeseaeeeeeeeneeeeesenee 16 2 CO SO LY THUYET wo.1 Lý thuyết sóng siêu Am: .- k1 nề HT ng ri 17 2.1 Định nghĩa sóng siêu Âm: .2 Ban chất sóng âm:. Gv ng nưyn 18 2.3 Các đại lượng đặc trung?.4 Phan loại sóng AM? .5 _ Tính chất vật ly của sóng âm và siêu âm.--- se sex csrsed 20 2.6 Nguồn phát siêu âm.- - tt v1 E1 ng niệu 22 2.2 Cau tạo và nguyên lý cắt thực phẩm băng siêu âm.3 Các thông số cat siêu âm.--G- Gv S1 1S HT ng ngư 28 2. TT n ng HT n TH HH TH niệu 28 2.2 _ Tân số siêu âm f (KHHZ).--- G- EkSx E1 SE về cv tre ưyg 29 2. - c1 TS TT HT ng niệu 29 GVHD: 7S.

Nguyễn Thanh Hải 3 HVTH: Thach Ngọc Phu 2.--c- + x91 E1 vn ng nưyg 29 3. QUÁ TRÌNH THIET KE VA MÔ PHONG KHUÔN CẮTT.1 Cơ sở thiẾt kẾ.1 Sóng doc truyền qua thanh trụ thang [I].2 _ Sóng truyền qua chỉ tiết có biên dạng không đồng nhất.2 Lua chọn vật liệu cho khuôn cắt.- ¿22c ke E23 ES3 S828 E2 E+E se Esssd 34 3. Mô hinh phân tử hữu han FEM (Finite Element Modelling).4 _ Mô phỏng hệ siêu âm và khuôn Cat .- -- + 6xx EsE + EeEseeevserxei 36 3.1 Giới thiệu phần mềm ABAQUS.- 2 SE SE eEseseeersed 36 3.2 Giới thiệu mô hình bộ siêu âm và khuôn cắt .3 Định nghĩa vật liệu cho các chỉ tiết của mô hình trong Abaqus:.4 Tao lưới mô phỏng cho mô hình .5 _ Thiết lập trạng thái (analysis step) trong Abaqus cho mô hình.6 _ Thiết lập tương tác giữa các chỉ tiết với nhau.7 Gan điều kiện biên (boundary condition$).8 Áp đặt lực cho bài toán (lOađS). ác SE net rerưyg 51 3.9 _ Kết quả mô phỏng: vec ceccecssecescssscescesscessecsceevscsecevacscecsceesscneeesas 52 3.10 Khảo sát hệ siêu âm với khuôn cắt băng nhôm.

the 71 4 _ QUÁ TRINH CHE TAO VÀ THU NGHIỆM KHUÔN CẮT.1 Chế tạo khuôn cắt bằng thép .---- - ket SE SE SE rersed 72 4.2 Chế tạo khuôn cắt bằng nhôm.3 Thử nghiệm khuôn cắt.--G- - tk k3 EE Sư ng sec 75 4.1 Cắt bánh choCOpie.-c- G111 ST TT HT ng niệu 76 4.2 _ Cắt bánh mi không .-- SG kx S1 SE về HT ng rgưyg 77 GVHD: 7S. Nguyễn Thanh Hải 4 HVTH: Thach Ngọc Phu 4.3 Cắt bánh bông lan. St k1 E1 ng ru 78 4.4 Các thực phẩm khác. c1 E1 vn ng rvgeryg 79 4.LL c SH SnSH ThS HH1 H111 0101011101121 HH nưàg 80 5 KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ.- -- E221 SE SE SE EEv xxrxrrưy 80 5.1 Luận văn đã giải quyết được các van dé Sau:.

SH s1 HT TH HT TH TT TT HH TH gu 81 GVHD: 7S. Nguyễn Thanh Hải 5 HVTH: Thach Ngọc Phu Danh sách hình vé Hình 1.1: Cắt bánh bông lan bang dao siêu âm [§].2: Hệ thông cắt bánh tự động bang cánh tay robot của Abrigo.3: Hệ thống cắt bánh kem,pazza, bánh bông lan cua hãng Bakon.4: Máy cat sandwich của hãng Döinghaus. --- 6 xxx sec se cecee 14 Hình 1.5: Các loại bánh kẹo cat bằng siêu âm [6 ].----- - 56+ + sx£+e+xc£sesecse 15 Hình 2.1: Các vùng tần số của sóng AM [9].2: Biểu đỗ biểu diễn dao động của sóng âm [6]. ee cccccccceceeeeseececceeceeeeeesececeeeeeaeeees 19 Hình 2.4: Dao động của tinh thé thạch anh [6].---- 5 + + SE £E+E+e££+ezecsz 22 Hình 2.5: Hiện tượng piezo-electric [9].6: Hiện tượng tty Ø1ảO.

TQ S9 1111101 100 111111111111 111v xế 23 Hình 2.7: Các bộ phận chính của hệ thống cắt siêu âm [8].8: Bộ phát cao tần [6]. - -- - E3 3911 E1 cv yrreg 25 Hình 2.9: Bộ chuyền đổi siêu âm [6].-- -:-G- k SE EEkEsE#vekEskekeerseeeree 26 Hình 2.10: Bộ khuếch đại sóng siêu âm [6].11: Các loại khuôn cắt siêu âm trong thực phẩm [6].12: So sánh quá trình cat vật liệu xốp trường hợp có và không có siêu âm 27 Hình 2.13: Các thông số cắt siêu âm. -- ©- xxx SE SE se ceg 28 Hình 2.14: So sánh lực sử dụng trong quá trình cắt không có và có siêu âm [3].15: Sơ đồ hệ thống cắt siêu âm [3] .-- - - s2 E+E£vEsE£E£EsEekeeeeeeeese 29 Hình 3.1: Sóng doc trên thanh trụ thắng đồng nhất [1].-- cece eee eeeeeeeee 30 Hình 3.2: Miêu tả sự phân phối ứng suất của khuôn có biên dạng đối xứng tâm.3: Hình dạng sóng truyền qua các biên dạng khác nhau .4: Lưu đồ mô phỏng trong AbaqU§. Nguyễn Thanh Hải 6 HVTH: Thach Ngọc Phu Hình 3.5: Mô hình mô phỏng khuôn cắt.--- 2-2 + E2 k+E£#EEeE+E+E+EEeEerrereei 38 Hình 3.6: Mô hình mô phỏng khuôn cắt.7: Định nghĩa vật liệu thép trong ABAQUS.8: Tạo hướng dao động cho vật liệu piezoelectric trong Abaqus.9: Dinh dang phan tử cho các chỉ tiết (ngoại trừ đĩa ceramie).10: Dinh dạng phan tử cho đĩa piezo ceraImic.--¿- ¿+ s+s+s£ec+zzezee 45 Hình 3.11: Mô hình sau khi đã được chia TưƯỚi.12: Tạo các trạng thái trong AbaQqus.13: Tương tác giữa bulong và đầu transducer.----s-s + +s+sxsc+z+ezee 48 Hình 3.14: Định nghĩa 2 kiểu tương tác gồm general contact và frictionless.15: Tạo module tương tac cho mô hình.16: Gan điều kiện biên cho đĩa piezo ceraimic.

5s s se ssxsecse 50 Hình 3.17: Điều kiện biên cho bài toán mô phỏng.--¿- 6+2 sex csz 50 Hình 3.18: Không chế 6 bật tự do của boosfer. ¿ác ta nan na se set sseessed S1 Hình 3.19: Khai báo lực bulong ở trạng thai tĩnh cho bài toán.20: Mode dao động doc trục ở tan số tir 19162-20700 (Hz).21: Mode dao động xoắn ở tan số 26687-28731 (Hz).22: Mode dao động phức hop ở tan số 20733-24215 (Hz).