Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất giày dép giữ vị thế là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn xuất khẩu chủ lực của Việt Nam. Kim ngạch xuất khẩu toàn ngành năm 2012 đạt 7,2 tỷ USD với tỷ lệ tăng trưởng 10,6%, thặng dư thương mại đạt trên 50% và tổng sản lượng cả nước đạt khoảng 800 triệu đôi giày mỗi năm. Tuy nhiên, quy trình gia công tại các doanh nghiệp trong nước phần lớn vẫn vận hành theo phương thức cơ giới hóa bán thủ công. Điển hình tại Công ty Cổ phần Giày Việt (Vina Giày), hai công đoạn mài và bôi keo chi tiết đế, mũ giày vẫn thực hiện bằng bàn chải thủ công, tạo thành điểm nghẽn nghiêm trọng trong dây chuyền sản xuất. Phương pháp thủ công này làm tiêu hao lượng lớn nhân công, khiến chiều dày lớp màng keo phân bố không đều, dễ làm keo lem ra ngoài đường viền biên dạng và gây phát tán hơi keo độc hại ảnh hưởng trực tiếp đến tiêu chuẩn trách nhiệm xã hội SA8000.

Đề tài tập trung nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số công nghệ vận hành và năng suất của hệ thống máy bôi keo tự động, nhằm xác định bộ thông số tối ưu giúp nâng cao năng suất dán dính chi tiết giày lên mức 500 đế và 500 mũ giày mỗi giờ. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được triển khai trực tiếp tại xưởng sản xuất của Công ty Cổ phần Giày Việt từ tháng 1 năm 2013 đến tháng 6 năm 2013, tập trung vào dòng sản phẩm giày da nam cỡ từ 38 đến 46 (trong đó cỡ 38 đến 43 chiếm 80% sản lượng đơn hàng, cỡ 44 đến 46 chiếm 20%). Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi đặt nền tảng tự động hóa hoàn toàn cho công đoạn bôi keo CNC 5 bậc tự do, giúp tăng năng suất hơn 4 lần, tiết kiệm hóa chất và cải thiện môi trường làm việc cho người lao động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa lý thuyết động lực học máy CNC nhiều trục và động học kết dính polyme trong kỹ thuật gia công vật liệu giày dép:

  • Lý thuyết động lực học cơ cấu máy CNC 5 bậc tự do: Hệ thống máy được thiết kế gồm 2 trạm công tác độc lập cho đế và mũ giày. Đầu bôi keo sở hữu 4 bậc tự do gồm 2 chuyển động tịnh tiến theo trục X, Z thông qua bộ truyền vít me bi và 2 chuyển động quay quanh trục Z, X điều khiển bằng động cơ servo. Bàn gá chi tiết có 1 bậc tự do tịnh tiến theo trục Y. Cấu hình này bảo đảm không gian làm việc đạt kích thước X x Y x Z là 200 x 400 x 120 mm, công suất động cơ 3 kW, cho phép đầu bôi keo ôm sát các biên dạng cong phức tạp 3 chiều của phom giày nam.
  • Động học kết dính và hoạt hóa màng keo Polyurethane: Keo dán gốc Polyurethane (PU-3300H) có độ nhớt từ 1400 đến 1800 cps tại 30 độ C, hàm lượng chất rắn 14% kết hợp với chất đóng rắn gốc Polyisocyanates (GE-348) ở tỷ lệ phối trộn từ 3% đến 10% theo khối lượng. Hợp chất tạo ra liên kết mạng không gian bền vững, chịu nhiệt lên tới 95 độ C và kháng ẩm cao trên các nền vật liệu da thuộc tự nhiên, da nhân tạo PU, PVC và cao su lưu hóa SBR.
  • Mô hình dòng chảy và kiểm soát lưu lượng keo: Chiều dày lớp màng keo được tính toán dựa trên phương trình lưu lượng Q = A x b, trong đó A là diện tích bề mặt quét keo và b là chiều dày lớp màng keo đồng nhất. Lưu lượng được điều chỉnh thông qua van tiết lưu và áp lực bình chứa keo dung tích 20 lít duy trì ổn định ở dải áp suất từ 3 đến 6 bar.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp khảo sát thực tế quy trình sản xuất công nghiệp và phương pháp thực nghiệm công nghệ trực tiếp tại nhà máy:

  • Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Cỡ mẫu thực nghiệm gồm 60 đôi giày da nam hoàn chỉnh tương đương 120 chi tiết đế và 120 chi tiết mũ giày thuộc các cỡ số từ 38 đến 43 (kích thước chi tiết lớn nhất đạt 356 x 130 x 120 mm với chu vi đường biên bôi keo 620 mm). Phương pháp chọn mẫu phân tầng theo tỷ trọng đơn hàng thực tế (80% dải cỡ phổ thông 38 đến 43 và 20% dải cỡ lớn 44 đến 46) nhằm kiểm chứng khả năng đáp ứng biên dạng của đầu bôi keo tại mọi bán kính góc lượn.
  • Phương pháp phân tích và đo đạc: Lựa chọn phương pháp thực nghiệm đo đạc biến thiên vận tốc dài, vận tốc góc của đầu chổi Inox 304 đường kính 40 mm, nhiệt độ sấy kích hoạt từ 50 độ C đến 80 độ C và áp suất ép từ 4 đến 5 bar. Lý do lựa chọn phương pháp này là để đánh giá chính xác độ bền kéo tróc thực tế của mối dán trong điều kiện gia công hàng loạt, khắc phục hoàn toàn tính chủ quan của thao tác thủ công.
  • Timeline nghiên cứu: Được thực hiện liên tục từ tháng 1 năm 2013 đến tháng 6 năm 2013 tại xưởng thực nghiệm của Công ty Cổ phần Giày Việt và phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm vận hành hệ thống máy bôi keo tự động đã ghi nhận những kết quả vượt trội về mặt công nghệ và hiệu quả sản xuất:

  • Đột phá về năng suất bôi keo: Hệ thống tự động hai trạm đạt năng suất định mức 500 đế giày và 500 mũ giày mỗi giờ, tương đương xử lý hoàn thiện 250 đôi giày mỗi giờ. So với năng suất bôi keo thủ công tại xưởng chỉ đạt trung bình 60 đôi giày mỗi giờ (tương đương 540 đôi giày trong một ca làm việc 9 tiếng), thiết bị tự động đã nâng cao năng suất lao động lên hơn 4 lần, đạt mức tăng trưởng khoảng 316%.
  • Tối ưu hóa quỹ đạo và định mức lượng keo: Khi sử dụng đầu bôi keo dạng chổi sợi thép không gỉ Inox 304 đường kính 40 mm (chiều cao sợi 10 mm, đường kính sợi 0.3 mm) di chuyển khép kín một lần duy nhất từ gót giày ngược chiều kim đồng hồ dọc theo biên dạng 620 mm, lượng keo tiêu thụ được chuẩn hóa ở mức 17 ml cho mỗi chi tiết. Định mức 1 lít dung dịch keo đã pha trộn cho phép bôi chính xác cho 60 đôi giày mà không gây hiện tượng thừa keo hay lem ra bề mặt ngoài.
  • Xác lập chế độ sấy và lực ép chuẩn hóa: Thực nghiệm xác định hỗn hợp keo PU-3300H phối trộn 5% chất đông rắn GE-348 đạt độ bám dính tối ưu khi chi tiết đi qua buồng sấy nhiệt độ 70 độ C trong thời gian từ 5 đến 6 phút, sau đó thực hiện ép định hình với lực nén tương ứng áp suất từ 4 đến 5 bar duy trì trong thời gian 10 đến 12 giây.

Thảo luận kết quả

Khi phân tích dữ liệu thực nghiệm, mối tương quan giữa các thông số công nghệ được minh chứng rõ rệt thông qua các đồ thị phân bố vận tốc và bảng số liệu thử nghiệm độ bền kết dính. Mô hình động học 5 bậc tự do giúp đầu bôi keo tự động bù góc nghiêng linh hoạt, duy trì áp lực tiếp xúc đồng đều của lưới quét Inox 304 trên bề mặt gồ ghề của mũ và đế giày.

Biểu đồ nhiệt độ kích hoạt cho thấy khi sấy ở mức nhiệt độ 70 độ C, các dung môi hữu cơ bay hơi hoàn toàn, chuỗi phân tử Polyurethane tái sắp xếp để tạo độ bám dính ban đầu cao nhất. Bảng đối sánh độ bền kéo tróc giữa các mẫu sấy tại 60 độ C và 80 độ C chỉ ra rằng mức 70 độ C đem lại sự cân bằng hoàn hảo, tránh làm biến tính bề mặt da thật đồng thời bảo đảm mối liên kết dán không bị phá hủy dưới tải trọng uốn lặp lại.

Bên cạnh đó, việc tích hợp hệ thống hút hơi keo chuyên dụng tại buồng gia công giúp gom triệt để trên 90% lượng dung môi bay hơi vào thùng chứa kín, giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm mùi hóa chất và bụi da, đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn kiểm định môi trường lao động quốc tế SA8000.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm phát huy tối đa hiệu quả của hệ thống máy bôi keo tự động trong sản xuất công nghiệp, nghiên cứu đề xuất các nhóm giải pháp hành động cụ thể sau:

  • Chuẩn hóa quy trình pha chế keo định mức: Ban Kỹ thuật sản xuất cần kiểm soát nghiêm ngặt tỷ lệ pha trộn chất đông rắn GE-348 vào keo PU-3300H ở tỷ lệ khuyến nghị 5% theo khối lượng. Lượng keo pha chỉ chuẩn bị vừa đủ dùng cho từng ca làm việc 4,5 giờ (từ 7h30 đến 11h30 và từ 12h30 đến 17h00) nhằm tránh hiện tượng màng keo tự đóng rắn gây tắc nghẽn đường ống sau 2 giờ ngưng hoạt động; triển khai áp dụng ngay trong quý 3 năm 2013.
  • Thiết lập quy trình súc rửa và bảo dưỡng thiết bị: Đội ngũ bảo trì thực hiện quy trình tẩy rửa đường ống dẫn và đầu bôi keo tối thiểu 2 lần bằng dung môi chuyên dụng 303 vào cuối mỗi ca làm việc 9 tiếng, duy trì áp suất bình chứa từ 3 đến 6 bar để tăng tuổi thọ hệ thống van tiết lưu thêm 30% trong suốt chu kỳ vận hành 12 tháng.
  • Nâng cấp hệ thống thị giác máy nhận dạng biên dạng: Phòng Nghiên cứu và Phát triển cơ điện tử cần tiến hành tích hợp hệ thống camera nhận dạng phom giày tự động, cho phép máy tự chuyển đổi chương trình gia công giữa các cỡ giày từ 38 đến 46 trong thời gian dưới 15 giây mà không cần thao tác cài đặt thủ công; hoàn thành chế tạo thử nghiệm vào quý 1 năm 2014.
  • Mở rộng đầu tư tự động hóa đồng bộ: Ban Giám đốc Công ty Cổ phần Giày Việt cùng các doanh nghiệp thành viên trong Hiệp hội Da giày Việt Nam ưu tiên phân bổ nguồn vốn đầu tư để nội địa hóa dây chuyền bôi keo tự động, phấn đấu nâng tỷ lệ nội địa hóa công nghệ sản xuất đạt 60% đến 65% trong giai đoạn 2015 đến 2020.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng công nghệ thiết thực cho nhiều nhóm chuyên môn:

  • Kỹ sư thiết kế và chế tạo máy tự động: Cung cấp phương pháp tính toán động học CNC 5 bậc tự do, thiết kế đầu bôi keo bằng thép không gỉ Inox 304 có nắp chụp chống văng hóa chất và sơ đồ điều khiển van tiết lưu cấp keo chính xác.
  • Giám đốc sản xuất và quản đốc phân xưởng da giày: Tiếp cận giải pháp kỹ thuật nâng năng suất dán giày lên 500 chi tiết mỗi giờ, tiết kiệm định mức tiêu hao keo 17 ml cho mỗi chi tiết và giảm thiểu tỷ lệ phế phẩm do sai lệch biên dạng.
  • Chuyên viên an toàn lao động và quản lý chất lượng: Tham khảo mô hình xử lý hơi keo dung môi khép kín nhằm bảo đảm môi trường làm việc đạt tiêu chuẩn trách nhiệm xã hội SA8000 và tiêu chuẩn an toàn phòng chống cháy nổ.
  • Học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy: Khảo cứu nguồn tài liệu thực nghiệm giá trị về sự tương tác giữa thông số chuyển động cơ khí nhiều trục với đặc tính lưu biến của chất kết dính polyme.

Câu hỏi thường gặp

  • Năng suất của máy bôi keo tự động vượt trội hơn phương pháp thủ công như thế nào? Trong thực tế sản xuất tại Vina Giày, bôi keo thủ công chỉ đạt khoảng 60 đôi giày mỗi giờ (tương đương 540 đôi trong ca 9 tiếng). Máy bôi keo tự động hai trạm đạt công suất 500 đế và 500 mũ giày mỗi giờ, hoàn thiện 250 đôi giày mỗi giờ, giúp năng suất tăng gấp hơn 4 lần và giảm mạnh chi phí nhân công.

  • Loại keo dán và chất đông rắn nào được kiểm chứng hiệu quả nhất trong nghiên cứu? Nghiên cứu sử dụng keo Polyurethane mã PU-3300H có độ nhớt từ 1400 đến 1800 cps tại 30 độ C kết hợp pha 5% chất đông rắn gốc Isocyanate GE-348. Hợp chất này chịu nhiệt lên tới 95 độ C, tạo độ bám dính siêu bền trên da thật, da nhân tạo, đế PVC và cao su lưu hóa.

  • Đầu bôi keo được cấu tạo từ vật liệu gì để bảo đảm độ bền chống ăn mòn hóa chất? Đầu bôi keo sử dụng chổi quét dạng lưới chế tạo từ thép không gỉ Inox 304 có đường kính 40 mm, chiều cao lưới 10 mm và đường kính sợi 0.3 mm. Inox 304 sở hữu ứng suất bền tối thiểu 515 MPa, chống chịu xuất sắc trước sự ăn mòn của các dung môi hữu cơ và axit.

  • Chế độ sấy và lực ép nào bảo đảm độ bền kết dính màng keo cao nhất? Quy trình tối ưu đòi hỏi sấy chi tiết sau khi quét keo ở nhiệt độ 70 độ C trong thời gian từ 5 đến 6 phút để làm bay hơi dung môi và kích hoạt nhựa resin. Sau đó, đế và mũ giày được đưa vào ép định hình ở áp suất từ 4 đến 5 bar trong 10 đến 12 giây.

  • Biện pháp kỹ thuật nào giúp ngăn ngừa hiện tượng keo bị đông cứng làm tắc nghẽn hệ thống? Keo pha chất đông rắn chỉ được dùng trong ca 4,5 giờ. Cuối mỗi ngày làm việc, hệ thống đường ống được bơm súc rửa 2 lần bằng dung môi chuyên dụng 303 để đẩy sạch keo tồn dư, đồng thời cụm đầu bôi keo được tháo rời để ngâm bảo quản trong dung dịch tẩy rửa.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế và thử nghiệm thành công hệ thống máy bôi keo tự động CNC 5 bậc tự do với công suất 3 kW, không gian gia công 200 x 400 x 120 mm đáp ứng chính xác mọi biên dạng giày nam.
  • Nâng cao vượt bậc năng suất công đoạn bôi keo lên mức 500 đế và 500 mũ giày mỗi giờ, tăng gấp hơn 4 lần so với phương pháp quét bàn chải thủ công truyền thống.
  • Xác lập bộ thông số công nghệ chuẩn mực với đầu chổi Inox 304 đường kính 40 mm, lượng keo tối ưu 17 ml cho mỗi chi tiết, nhiệt độ sấy 70 độ C trong 5 đến 6 phút và lực ép 4 đến 5 bar trong 10 đến 12 giây.
  • Triệt tiêu ô nhiễm phát tán hơi keo độc hại nhờ hệ thống hút chân không cục bộ, bảo đảm tiêu chuẩn an toàn lao động quốc tế SA8000 và nâng cao thu nhập cho công nhân.
  • Tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc thúc đẩy mục tiêu hiện đại hóa ngành da giày Việt Nam đạt kim ngạch xuất khẩu 9,1 tỷ USD vào năm 2015 và 14,5 tỷ USD vào năm 2020.

Kế hoạch phát triển tiếp theo tập trung vào việc hoàn thiện hệ thống cảm biến quang học nhận diện kích thước phom giày tự động trong giai đoạn 2014 đến 2015. Các doanh nghiệp sản xuất giày dép và đơn vị nghiên cứu chế tạo máy hãy chủ động liên hệ chuyển giao công nghệ để nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường quốc tế ngay hôm nay.