THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ
- Tên đề tài: Nghiên cứu xây dựng mô hình, chế tạo và thử nghiệm đầu hàn siêu âm có biên dạng phức tạp dùng trong công nghiệp phụ trợ ô tô
- Mã số: B2023-TNA-18
- Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Nguyễn Đình Ngọc
- Tổ chức chủ trì: Đại học Thái Nguyên
- Thời gian thực hiện: từ tháng 01 năm 2023 đến tháng 6 năm 2025
- Xây dựng được mô hình đầu hàn siêu âm có biên dạng phức tạp;
- Chế tạo, thử nghiệm và đánh giá được độ tin cậy của đầu hàn siêu âm có biên dạng phức tạp dùng trong công nghiệp phụ trợ ô tô.
Nghiên cứu này giới thiệu một phương pháp thiết kế hoàn toàn mới cho đầu hàn siêu âm có bề mặt làm việc cong phức tạp trong không gian – một hướng đi chưa từng được đề cập trong các tài liệu công bố trước đây. Trong khi hầu hết các nghiên cứu trước chủ yếu tập trung vào đầu hàn dạng blade hoặc đầu hàn dạng khối với mặt phẳng, đề tài này hướng đến đầu hàn dạng khối có biên dạng cong không gian, nhằm lấp đầy khoảng trống trong phương pháp thiết kế đầu hàn siêu âm hiện nay.
Ba thiết kế đầu hàn được tối ưu thành công theo các tiêu chí đa mục tiêu như: độ đồng đều chuyển vị, tần số cộng hưởng và độ khuếch đại dao động. Đặc biệt, horn 3 được tối ưu hóa bằng quy trình tích hợp FEM–RSM–GA, cho thấy sự sáng tạo trong việc kết hợp giữa mô phỏng số, mô hình thế và thuật toán tiến hóa vào thiết kế tối ưu.
Ngoài ra, nghiên cứu còn đề xuất một tham số mới (α) để đánh giá độ đồng đều chuyển vị bề mặt, bổ sung cho chỉ số truyền thống U, giúp phản ánh nhạy hơn các bất thường dao động trên các bề mặt đầu hàn phức tạp. Đây là đóng góp mang tính phương pháp luận và ứng dụng thực tiễn, mở ra hướng đi mới cho thiết kế đầu hàn trong công nghệ hàn siêu âm nhựa chính xác cao, đặc biệt trong ngành công nghiệp ô tô.
Nghiên cứu đã tối ưu thành công ba đầu hàn siêu âm dạng khối với biên dạng bề mặt làm việc phức tạp, sử dụng trong lắp ráp đèn xi nhan ô tô. Quá trình tối ưu hóa được thực hiện theo phương pháp đa mục tiêu, xét đến các tiêu chí: độ đồng đều chuyển vị, tần số cộng hưởng dọc và hệ số khuếch đại dao động.
Cả ba thiết kế đầu hàn đều đạt độ đồng đều chuyển vị trên 90%, đáp ứng yêu cầu thiết kế. Đặc biệt, với Horn 3, quá trình tối ưu được thực hiện toàn diện hơn thông qua phương pháp tích hợp Phương pháp Phần tử Hữu hạn (FEM), Phương pháp Bề mặt Đáp ứng (RSM), và Thuật toán Di truyền (GA). Kết quả tối ưu cho Horn 3 đạt được:
- Độ đồng đều chuyển vị (U): 92,2%
- Tần số cộng hưởng dọc (F): 19909 Hz, sai lệch chỉ 0,46% so với tần số mục tiêu 20000 Hz
- Tỷ số khuếch đại dao động (G): >1,2
- Khoảng cách tần số với các mode lân cận: >1000 Hz (đảm bảo an toàn, tránh hiện tượng mode coupling)
Nghiên cứu cũng đã đề xuất và ứng dụng một chỉ số mới (α) để đánh giá độ đồng đều chuyển vị theo không gian, cho kết quả tương quan tốt với chỉ số U truyền thống nhưng phản ánh độ không đều một cách nhạy bén hơn.
Kết quả mô phỏng đã được kiểm chứng thực nghiệm với Horn 2, xác nhận tính chính xác và hiệu quả của phương pháp tối ưu đề xuất. Do đó, đề tài đã xây dựng thành công một chiến lược thiết kế và tối ưu hóa có tính tổng thể, có thể ứng dụng vào thực tế để nâng cao chất lượng và độ tin cậy của mối hàn siêu âm trong công nghiệp.
- 01 bài báo quốc tế uy tín trong danh mục ISI-Q2
Nhu Khoa Ngo, Quang Trung Vi and Ngoc Nguyen Dinh, Design and numerical analysis of block-like horn with complex 3D working surface for ultrasonic plastic welding, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering, 2025;0(0). doi:10.1177/09544089251313683.
- 01 bài báo quốc tế uy tín trong danh mục Scopus – Q3
Ngo Nhu Khoa, Dang Anh Tuan, Nguyen Dinh Ngoc, Analyze the performance of horns with complex working surfaces used in ultrasonic welding of car turn signals, Journal of Applied Engineering Science, Vol. 22, No. 04, pp. 761 – 771, 2024, DOI:10.5937/jaes0-51405
- 01 bài báo quốc tế uy tín trong danh mục Scopus – Q4
Khoa Ngo-Nhu, Chec Nguyen-Van, Bich Ngoc Nguyen-Thi, Ngoc Nguyen-Dinh & Nguyen-Thi Hue, Preliminary Results for Optimal Design of the Horn with Complex Welding Profiles in Ultrasonic Welding, Lecture Notes in Networks and Systems, vol 944, pp 341–353, 2024. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-62235-9_34
- 01 bài báo quốc gia trong danh mục được HĐGSNN tính điểm
Dang Anh Tuan, Nguyen Thi Bich Ngoc, Nguyen Ngoc Thieu, Nguyen Dinh Ngoc, The effect of slot number in working performance of a block-like horn used in plastics ultrasonic welding, TNU Journal of Science and Technology, vol. 230, no. 06, pp. 115 – 122, 2024, DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.11543
- Đào tạo 01 thạc sĩ theo hướng của đề tài và bảo vệ thành công luận văn thạc sĩ.
- Hỗ trợ đào tạo 01 chuyên đề nghiên cứu sinh theo hướng của đề tài.
- Đầu hàn siêu âm loại contour tần số làm việc 20kHz (02 bộ/loại), ứng dụng cho hàn cụm đèn xi-nhan trên ô tô du lịch;
- Máy hàn siêu âm (công suất 2kW – 3kW, tần số 20kHz, khoảng điều chỉnh 5Hz);
- Chỉ dẫn kỹ thuật và công nghệ phục vụ thiết kế, chế tạo đầu hàn và chế độ làm việc.
6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu
Kết quả nghiên cứu có thể được chuyển giao và ứng dụng theo nhiều hướng sau:
Các hướng chuyển giao:
Chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp sản xuất đèn chiếu sáng ô tô sử dụng công nghệ hàn siêu âm nhựa.
Chuyển giao tri thức cho các nhóm nghiên cứu thiết kế cơ khí chuyên sâu về thiết bị âm học và hệ thống hàn siêu âm.
Tích hợp khung thiết kế và tối ưu hóa vào các chương trình đào tạo CAD–CAE trong khối kỹ thuật.
Đơn vị ứng dụng:
Các nhà cung cấp linh kiện và thiết bị gốc (OEM) trong ngành ô tô, xe máy – đặc biệt là các công ty sản xuất đèn xi nhan.
Các trung tâm nghiên cứu, phòng thí nghiệm về công nghệ hàn vật liệu nhựa.
Phòng thí nghiệm tại khoa Quốc Tế, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên – chuyên ngành Tự động hóa cơ khí, chuyên đào tạo thiết kế sản phẩm, phân tích dao động, hay xử lý siêu âm.
Tác động kỹ thuật:
Độ đồng đều chuyển vị cao giúp nâng cao chất lượng và độ bền của mối hàn, đặc biệt trên các chi tiết có biên dạng cong phức tạp.
Lợi ích kinh tế:
Giảm thời gian thử nghiệm và chi phí làm mẫu thông qua thiết kế và tối ưu hóa dựa trên mô phỏng.
Tác động học thuật:
Đề xuất một phương pháp tổng thể kết hợp FEM–RSM–GA cho thiết kế đầu hàn siêu âm, có thể mở rộng cho các công cụ tần số cao khác.
Lợi ích công nghiệp:
Cung cấp quy trình thiết kế tối ưu đã được kiểm chứng, góp phần nâng cao hiệu suất hàn và độ ổn định sản xuất.
INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
Project title: Research on the development of a model, fabrication, and testing of ultrasonic welding horns with complex geometries for automotive supporting industries
Code number: B2023-TNA-18
Coordinator: Assoc. Prof. Dr. Nguyen Dinh Ngoc
Implementing institution: Thai Nguyen University
Duration: from January 2023 to June 2025
- To develop a model of an ultrasonic welding horn with complex geometry.
- To fabricate, test, and evaluate the reliability of the ultrasonic welding horn with complex geometry for use in the automotive supporting industries.
3. Creativeness and innovativeness
This research introduces a novel design approach for ultrasonic welding horns with complex curved working surfaces, which has not been previously explored in existing literature. While most prior studies focus on blade-type or flat-surfaced block horns, this study targets block-like horns with spatially curved profiles, addressing a significant gap in the design methodology for ultrasonic welding tools.
Three horn geometries were successfully optimized based on multi-objective criteria, including displacement uniformity, resonance frequency alignment, and vibration amplification. Particularly, Horn 3 was optimized using an integrated FEM–RSM–GA approach, demonstrating a creative combination of simulation, surrogate modeling, and evolutionary algorithms for optimal design.
Additionally, the study proposes a new surface uniformity evaluation metric (α) to complement the traditional uniformity index (U), offering a more sensitive assessment of displacement irregularity on complex horn surfaces. This contribution is both methodological and practical, paving the way for advanced horn designs in high-precision ultrasonic plastic welding, especially in the automotive sector.
The research successfully optimized three block-like ultrasonic welding horns with complex working surface profiles used in automotive signal lamp assembly. The optimization process followed a multi-objective approach considering displacement uniformity, longitudinal resonance frequency, and vibration amplification.
For all three horn types, the displacement uniformity (U) exceeded 90%, satisfying the design requirements. Particularly for Horn 3, a more comprehensive optimization using an integrated Finite Element Method (FEM), Response Surface Methodology (RSM), and Genetic Algorithm (GA) was applied. The optimal result for Horn 3 showed:
Displacement uniformity (U): 92.2%
Longitudinal natural frequency (F): 19909 Hz, with a deviation of only 0.46% from the target frequency of 20000 Hz
Displacement amplification ratio (G): >1.2
Frequency separation from adjacent modes: >1000 Hz (safe margin to avoid mode coupling)
In addition, the study introduced and applied a new indicator (α) to evaluate displacement uniformity distribution more effectively on the complex working surface, which correlated well with traditional uniformity U but provided enhanced sensitivity.
Experimental validation for Horn 2 was also conducted, confirming the simulation-based optimization results. The study therefore contributes a validated design strategy and optimization framework for complex-profiled ultrasonic welding horns, potentially improving weld quality and reliability in industrial applications.
5. Products
One international article in an ISI-Q2 journal:
Nhu Khoa Ngo, Quang Trung Vi, and Ngoc Nguyen Dinh, Design and numerical analysis of block-like horn with complex 3D working surface for ultrasonic plastic welding, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering, 2025;0(0). doi:10.1177/09544089251313683.
One international article in a Scopus-Q3 journal:
Ngo Nhu Khoa, Dang Anh Tuan, Nguyen Dinh Ngoc, Analyze the performance of horns with complex working surfaces used in ultrasonic welding of car turn signals, Journal of Applied Engineering Science, Vol. 22, No. 04, pp. 761 – 771, 2024, DOI:10.5937/jaes0-51405.
One international article in a Scopus-Q4 journal:
Khoa Ngo-Nhu, Chec Nguyen-Van, Bich Ngoc Nguyen-Thi, Ngoc Nguyen-Dinh & Nguyen-Thi Hue, Preliminary Results for Optimal Design of the Horn with Complex Welding Profiles in Ultrasonic Welding, Lecture Notes in Networks and Systems, vol. 944, pp. 341–353, 2024. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-62235-9_34.
One national article recognized by the State Council for Professorship (HĐGSNN) for points calculation:
Dang Anh Tuan, Nguyen Thi Bich Ngoc, Nguyen Ngoc Thieu, Nguyen Dinh Ngoc, The effect of slot number in working performance of a block-like horn used in plastics ultrasonic welding, TNU Journal of Science and Technology, vol. 230, no. 06, pp. 115 – 122, 2024, DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.11543.
Supervision and successful defense of one Master's thesis aligned with the project’s research direction.
Support for the development of one PhD research topic aligned with the project’s research direction.
Ultrasonic welding horns (contour type) with a working frequency of 20 kHz (02 units of each type), applicable for welding car turn signal lamp assemblies.
Ultrasonic welding machine (power range 2 kW – 3 kW, frequency 20 kHz, frequency adjustment range ±5 Hz).
Technical and technological guidelines for the design, fabrication, and operational parameters of the ultrasonic welding horns.
6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results:
The research outcomes can be transferred and applied in several directions as follows:
Technology Transfer: Transfer of technology to enterprises manufacturing automotive lighting products using ultrasonic plastic welding technology.
Knowledge Transfer: Transfer of knowledge to research groups specializing in mechanical design, particularly in the fields of acoustic devices and ultrasonic welding systems.
Integration into Education: Integration of the design and optimization framework into CAD–CAE training programs within engineering curricula.
Application Addresses:
Original Equipment Manufacturers (OEMs) and component suppliers in the automotive and motorcycle industries, particularly companies manufacturing turn signal lights.
Research centers and laboratories specializing in plastic welding technologies.
The laboratory of the Faculty of International Training at Thai Nguyen University of Technology – focusing on Mechanical Automation, with training in product design, vibration analysis, and ultrasonic processing.
Technical Impact:
High displacement uniformity enhances the quality and durability of weld joints, especially for components with complex curved geometries.
Economic Benefits:
Reduction in prototyping time and sample fabrication costs through simulation-based design and optimization.
Academic Contribution:
Proposing a comprehensive design methodology integrating FEM–RSM–GA (Finite Element Method – Response Surface Methodology – Genetic Algorithm) for ultrasonic welding horn design, which can be extended to other high-frequency tooling.
Industrial Benefits:
Providing a validated optimal design process that contributes to improved welding efficiency and production stability.
