THỤY ĐIỂN – Từ hiệu suất sử dụng vật liệu, sản lượng đầu ra cho đến quy trình sản xuất tiếp theo, năm nguyên tắc cơ bản sau đây sẽ giúp các nhà máy gia công tối ưu hóa hoạt động của các hệ thống cắt laser.

Xếp phôi (nesting) (*) là một công việc yêu cầu sự tinh tế và nhiều sự đánh đổi. Một chiến lược đúng đắn sẽ giúp duy trì quy trình sản xuất kim loại tấm chính xác và diễn ra một cách thông suốt.
(*) Nesting: là quá trình sắp xếp sơ đồ cắt các chi tiết trên một tấm vật liệu (kim loại, gỗ, vải…) sao cho tận dụng tối đa diện tích và giảm thiểu lượng phế liệu dư thừa.

Nhiều năm trước, các kỹ thuật viên thường phải tinh chỉnh thủ công các bố cục xếp phôi tĩnh (static nest) (1) để đảm bảo tốc độ cắt nhanh nhất, khả năng lặp lại quy trình tốt nhất và tỷ lệ tận dụng vật liệu cao nhất có thể. Mặc dù một số quy trình sản xuất hiện nay vẫn sử dụng phương pháp xếp phôi tĩnh, nhưng hầu hết các sơ đồ xếp phôi hiện đại đều là xếp phôi động (dynamic nest) (2), được tạo tự động bởi phần mềm.
(1) Static nest: là phương pháp xếp phôi theo một sơ đồ cố định và không thay đổi trong suốt quá trình sản xuất hàng loạt.
(2) Dynamic nesting: là phương pháp xếp phôi một cách linh hoạt và tự động dựa trên danh sách đơn hàng thực tế tại thời điểm đó. Khác với xếp phôi tĩnh vốn dùng một khuôn mẫu cố định, dynamic nesting cho phép phần mềm tự động tính toán bố cục tối ưu nhất cho mỗi lần cắt.

Sự xuất hiện của các phần mềm tiên tiến không có nghĩa là các kỹ thuật viên không cần can thiệp và chỉ để công nghệ tự xử lý. Ông Doug Wood, Giám đốc kinh doanh giải pháp phần mềm Hexagon Radan (thuộc tập đoàn Hexagon AB) giải thích, các phương pháp tốt nhất hiện nay bao gồm việc thiết lập một bộ quy tắc, hay các nguyên tắc hướng dẫn, giúp cho việc cắt laser đạt hiệu quả tối ưu. Khi các quy tắc đó được thiết lập, phần mềm có thể tự cân nhắc các yếu tố đánh đổi và về mặt logic, tự động hóa quá trình cân bằng sản xuất.

Vậy những quy tắc đó nên là gì? Điều này tất nhiên phụ thuộc vào đặc thù vận hành của từng nhà máy, nhưng để minh họa cách xây dựng chúng, ông Wood đã chi tiết hóa năm yếu tố nền tảng giúp máy cắt laser, cùng với tất cả các quy trình tiếp theo, hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy nhất.

1. Giải quyết tận gốc vấn đề
Giả sử một nhà máy gia công vận hành sơ đồ xếp phôi tĩnh cho các đơn hàng sản xuất vào ban đêm, song song với các đơn hàng xếp phôi động vào ban ngày. Tuy nhiên, một tình trạng bất thường đã xảy ra: máy cắt gặp nhiều thời gian ngừng hoạt động với tỷ lệ hàng lỗi tăng cao và phải làm lại ngoài dự kiến. Sự tích tụ xỉ (slag) (*) cắt thực chất đang làm thay đổi vị trí của tấm phôi theo trục Z, buộc công nhân phải liên tục điều chỉnh tiêu cự. Thậm chí, kim loại nóng chảy từ rãnh cắt bị hàn dính luôn vào đầu các thanh đỡ phôi.
(*) Slag: là phần kim loại nóng chảy bị oxy hóa và đông đặc lại, bám vào mép cắt hoặc bề mặt vật liệu.

Các câu hỏi được đặt ra: Thanh đỡ vẫn được vệ sinh theo đúng định kỳ, thép tấm cũng không cắt quá dày, vậy tại sao lượng xỉ lại tích tụ nhiều, và một số thanh đỡ phải thay thế thường xuyên hơn? Tại sao? Hóa ra, là do sơ đồ xếp phôi tĩnh đó có các rãnh cắt nằm trực diện ngay phía trên các hàng thanh đỡ phôi.

Như ông Wood giải thích, tình huống này đại diện cho những sự cố hiếm gặp nhưng khi kết hợp lại có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng. Trong trường hợp này, công nhân có thể tạm thời tinh chỉnh chương trình ngay tại bảng điều khiển, như dịch chuyển nhẹ các chi tiết để rãnh cắt không nằm trực diện lên răng của thanh đỡ. Hoặc tháo bớt thanh đỡ khi chạy một số chương trình nhất định. Dù vậy, những cách này vẫn không giải quyết được tận gốc vấn đề: thiếu sự kết nối giữa các kỹ thuật viên, giám sát bộ phận cắt và thợ máy.

Dù đó là vấn đề về tích tụ xỉ, biến dạng chi tiết hay bất kỳ sự cố ngoài dự kiến nào khác, ông Wood nói thêm: “Nhìn chung, nếu sơ đồ xếp phôi chạy không chuẩn, hãy tìm đến nguồn gốc vấn đề và sửa lỗi ngay từ khâu lập trình để tránh lặp lại trong tương lai. Những nhà máy sẽ không muốn các công nhân vận hành máy cắt laser phải chỉnh sửa chương trình liên tục để máy hoạt động hiệu quả.”

2. Cân bằng giữa sản lượng và hiệu suất sử dụng vật liệu
Các kỹ thuật viên có thể nhìn xa vào kế hoạch sản xuất để tối đa hóa tỷ lệ sử dụng tấm phôi cho một loại vật liệu cụ thể; hoặc thêm các chi tiết phụ (filler parts) vào sơ đồ xếp phôi để tận dụng những khoảng trống còn sót lại trên tấm vật liệu; hoặc chỉ cắt đúng số lượng cần thiết và lưu kho phần phôi thừa. Họ cũng có thể dàn trải các chi tiết của một đơn hàng ra nhiều tấm phôi khác nhau để tối ưu hóa vật liệu, hoặc chấp nhận hy sinh một chút hiệu suất vật liệu để giữ các chi tiết đi cùng nhau trong một sơ đồ xếp phôi duy nhất. Tất cả những quyết định này tạo nên một bài toán cân bằng phức tạp với nhiều sắc thái khác nhau.

Ông Wood nói rằng: “Khi xem xét tất cả những điều này, hãy phân tích tình huống bằng cách tập trung vào những chi tiết nào sẽ được hoàn thiện sau khi rời máy. Trong nhiều trường hợp, khi công nhân giữ cho quy trình chi tiết được thông suốt, việc vận hành sẽ trở nên đơn giản hơn.”

Ông Wood cho biết thêm rằng phần mềm có thể tự động hóa nhiều quyết định này, miễn là các quy tắc được thiết lập ngay từ đầu. “Ví dụ, có thể thiết lập tính năng ‘giảm dàn trải sơ đồ’ (nest spread reduction). Khi bắt đầu xếp phôi cho một lệnh sản xuất, phần mềm sẽ hoàn tất số lượng chi tiết đó nhanh nhất trong khi vẫn duy trì mức sử dụng vật liệu tối thiểu, nhờ đó các chi tiết của cùng một đơn hàng không bị nằm rải rác trên quá nhiều tấm phôi khác nhau.”

Tấm xếp phôi không sử dụng các mấu nối nhỏ mà kết hợp cả phương pháp cắt chung đường biên và cắt phá hủy (scrap-destruct) (*). Trước đây, các quy trình cắt phá hủy này thường làm tăng thời gian chu kỳ cắt. Tuy nhiên hiện nay, tốc độ cắt laser không còn là rào cản, và việc loại bỏ khung cũng như các phế liệu giúp tinh giản quá trình tháo dỡ chi tiết và dọn dẹp phế liệu.

(*) Scrap-destruct: là một kỹ thuật lập trình mà máy sẽ thực hiện các đường cắt bổ sung lên phần phôi thừa (khung) để chia nhỏ nó ra thành từng mảnh trước khi kết thúc quá trình gia công.

Điều này giúp giảm tình trạng thất lạc chi tiết. Tốc độ cắt nhanh và tăng tỷ lệ tận dụng vật liệu sẽ không có nhiều ý nghĩa nếu nhà máy liên tục phải cắt lại những chi tiết vừa bị thất lạc trong quá trình phân loại.

Một chiến lược khác là thiết lập các bộ linh kiện cố định, trong đó các chi tiết cụ thể luôn được sắp xếp trong cùng một sơ đồ, đôi khi nằm ngay cạnh nhau. Chiến lược này đặc biệt hữu ích cho việc tự động hóa dỡ hàng. Các tay gắp có thể lấy một nhóm chi tiết theo bộ và xếp chồng chúng lên một pallet chuyên dụng, sau đó pallet này được chuyển thẳng đến các công đoạn tiếp theo.

Ông Wood nói thêm: “Các chi tiết này có thể được nối với nhau bằng mối nối. Đặc biệt nếu chúng bao gồm các thành phần nhỏ, để hệ thống tự động có thể xử lý dễ dàng.”

Một lần nữa, chiến lược này yêu cầu sự cân bằng. Việc nối các chi tiết cụ thể lại với nhau có thể làm giảm hiệu suất sử dụng vật liệu. Nó có thể phát sinh thêm công đoạn loại bỏ mối nối (mấu) tại một trạm phụ. Tuy nhiên, thao tác loại bỏ mối nối đó có thể được loại bỏ bằng cách bố trí mối nối hoặc sử dụng phương pháp nối mấu nhỏ để ngăn ngừa các sự cố phát sinh sau này, như các mấu va vào chốt cử chặn (backgauge finger) của máy chấn.

Ông Wood nói tiếp: “Điều này có thể yêu cầu một số bước kiểm tra thiết kế ngay từ đầu. Trong đó, kỹ thuật viên xác định các cạnh sẽ dùng để lấy chuẩn nhằm đảm bảo không đặt mối nối tại đó. Quy chuẩn tương tự cũng áp dụng cho các giới hạn về chiều thớ của kim loại, nếu cần các phôi có một chiều thớ nhất định để phục vụ quá trình tạo hình.” Việc giới hạn chi tiết theo các hướng cụ thể có thể làm giảm khả năng sắp xếp của sơ đồ xếp phôi, nhưng việc giảm một ít hiệu suất vật liệu để đổi lấy sự đảm bảo quy trình sản xuất diễn ra suôn sẻ ở các công đoạn tiếp theo.

Tương tự, tư duy này cũng được áp dụng cho các ràng buộc về chiều thớ kim loại và hướng đặt chi tiết so với các thanh đỡ phôi. Một chi tiết dài nằm ngang qua các thanh đỡ có thể không cần đến mối nối nhỏ, trong khi nếu đặt chi tiết đó cùng chiều với thanh đỡ, sẽ cần một mối nối để đảm bảo nó không bị lật. Việc giới hạn hướng đặt có thể làm giảm các phương án sắp xếp sơ đồ và tỷ lệ tận dụng vật liệu, nhưng đây tiếp tục là một cái giá nhỏ để đổi lấy sự ổn định khi cắt và quá trình tháo dỡ chi tiết dễ dàng hơn.

3. Mục tiêu giảm số lượng tấm phôi
Các kỹ thuật viên ngày nay có thể tối ưu hóa hiệu suất vật liệu theo một cách khác. Một lần nữa, chất lượng và sự ổn định của quy trình luôn được ưu tiên hàng đầu. Tuy nhiên, khi các quy tắc đó đã được thiết lập, việc tiết kiệm vật liệu thực tế không chỉ đến từ việc cố gắng thêm các chi tiết vào một bố cục, mà là giảm tổng số tấm phôi cần dùng để sản xuất cùng một lượng chi tiết đó.

Đây là lúc việc phân lô chiến lược phát huy vai trò. Phần mềm có thể tích hợp các quy tắc như giảm dàn trải (giữ các chi tiết của cùng một lệnh sản xuất trên các tấm phôi cụ thể) và các ràng buộc về chiều thớ, sau đó tính toán để giảm số lượng tấm phôi sử dụng. Theo ông Wood, đây chính là nơi tạo ra khoản tiết kiệm đáng kể từ việc tăng hiệu suất vật liệu. Tất nhiên, việc tận dụng thêm không gian từ một bố cục vốn đã có phôi thừa có thể tiết kiệm được một ít vật liệu, nhưng công nhân vẫn phải tốn công quản lý phần phôi thừa đó. Việc loại bỏ hoàn toàn một tấm phôi khỏi một mẻ sản xuất không chỉ tiết kiệm vật liệu mà còn giảm bớt nhân công cho khâu nạp phôi và dỡ chi tiết.

4. Hiểu rằng cắt laser có thể không phải là nút thắt cổ chai
Khi các nhà máy gia công nâng cấp từ laser CO2 (1) lên laser sợi quang (laser fiber) (2), một tình trạng chung đã xảy ra trong ngành: tốc độ của laser fiber đã vượt xa khả năng của công nhân dỡ hàng và tách các chi tiết. Điều này dẫn đến việc đầu tư vào tự động hóa và các chiến lược tháo dỡ chi tiết nhằm chuyển các cụm phôi đã cắt ra khỏi bàn máy đến khu vực dỡ hàng chuyên dụng. Bằng cách đó, máy laser fiber có thể duy trì hoạt động liên tục.
(1) Laser CO2: Sử dụng hỗn hợp khí (chủ yếu là carbon dioxide) làm môi trường khuếch đại. Tia laser được tạo ra bằng cách kích thích điện hỗn hợp khí này và được dẫn đến đầu cắt thông qua một hệ thống các gương phản xạ phức tạp.
(2) Laser fiber: Tia laser được tạo ra bởi các module diode phát quang và được truyền dẫn trực tiếp qua sợi cáp quang (fiber optic) đến đầu cắt. Không cần gương, không cần hệ thống cân chỉnh quang học phức tạp.

Tương tự, một số nhà máy đã điều chỉnh chiến lược xếp phôi để cân bằng giữa thời gian cắt laser và thời gian dỡ chi tiết. Như ông Wood giải thích, các chiến lược này có thể tối ưu hóa thời gian hoạt động của máy, nhưng chúng cũng có thể làm phức tạp quy trình sản xuất phôi. Tất cả các chỉ số đo lường cần được đặt trong tình hình cụ thể. Thời gian máy chạy nhanh có thể khiến bộ phận cắt phôi có vẻ rất hiệu quả, nhưng nếu quy trình sản xuất phôi chỉ làm tăng thêm lượng phôi tồn đọng, làm tăng nguy cơ thất lạc hoặc nhầm lẫn chi tiết (phôi), thì tất cả thời gian máy hoạt động đó có thể đang gây hại nhiều hơn là có lợi.

Cánh tay robot đo kiểm tra và thu thập dữ liệu trên một chi tiết đã gia công (một vòng bóng rổ). Dữ liệu này sau đó được phản hồi ngược lại khâu thiết kế và sản xuất, tạo nên một hệ thống khép kín.

Như ông Wood giải thích, độ tin cậy của toàn bộ quy trình quan trọng hơn so với tốc độ cắt hay thời gian hoạt động của máy. Ông dẫn chứng các chuỗi cắt phá hủy khung và phế liệu làm ví dụ điển hình. Nhiều năm trước, các kỹ thuật viên thường tránh việc cắt vụn khung hoặc phôi thừa, chủ yếu vì nó kéo dài thời gian chu kỳ cắt. Ngày nay, máy cắt nhanh đến mức việc cắt phá hủy trở nên phù hợp. Nếu sau khi cắt phoi liên tục văng lên bề mặt vật liệu, tại sao không cắt vụn nó để nó rơi xuống khe giữa các thanh đỡ một cách an toàn?

Sự ổn định của quy trình là yếu tố cốt lõi cho những quyết định này. Một chuỗi cắt phá hủy phế liệu có thể giúp tay gắp tự động hoặc công nhân có thể nhấc phôi đã cắt lên một cách dễ dàng. Tuy nhiên, nếu việc tách chi tiết đó khỏi tấm phôi làm mất ổn định quá trình cắt (như đối với các chi tiết nhỏ), thì quy trình cắt phá hủy khung sẽ không phù hợp.

Cắt chung đường biên cũng là một ví dụ tương tự. Ông Wood cho biết cắt chung đường biên vẫn là một công việc tiêu chuẩn tại nhiều nhà máy, nhưng hiện nay ông nhận được ít câu hỏi về vấn đề này hơn, ngoại trừ các ứng dụng vật liệu dày trong thời gian cắt dài hơn và chi phí vật liệu cao hơn. Ông Wood nói rằng: “Đặc biệt với vật liệu mỏng, lợi ích của việc cắt chung đường biên đã giảm. Phần mềm có thể thực hiện được, nhưng ít nhà máy gia công yêu cầu điều đó.” Ông nhấn mạnh rằng điều này một lần nữa quay lại việc ưu tiên độ tin cậy của quy trình. Nhiều năm trước, việc hai chi tiết dùng chung một đường cắt đã giúp giảm một nửa thời gian chu kỳ, một con số hiệu quả khi chu kỳ cắt còn chậm so với tiêu chuẩn hiện nay.

Ông Wood nói thêm: “Ngày nay, máy móc nhanh hơn, lợi ích từ việc cắt chung đường biên đã giảm xuống trong khi rủi ro lại tăng lên”.

Các sự cố va chạm đầu cắt (cutting head) (*) luôn gây ra tình trạng đứng máy, nhưng với các dòng máy năng suất cao hiện nay, thiệt hại do máy ngừng hoạt động là rất lớn. Ông Wood nói thêm rằng vẫn có nhiều ngoại lệ, đặc biệt là khi việc cắt chung đường biên giúp tăng sản lượng và độ tin cậy tổng thể.
(*) Cutting head: là một cụm cơ khí phức tạp. Trong máy phay, nó thường là cụm trục chính hoặc đầu dao. Trong máy laser hay tia nước, nó là bộ phận chứa ống kính, vòi phun và các cảm biến.

Việc thiết lập các vị trí đường dẫn vào (lead-in) (1) có ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống. Ông Wood cho biết: ‘Khi kỹ thuật viên sử dụng tính năng định vị đường dẫn động (dynamic lead-in positioning) (2), phần mềm sẽ tính toán hướng di chuyển của đầu cắt để đặt điểm bắt đầu cắt tại vị trí gần nhất trên bản xếp phôi (nest). Điều này giúp tối ưu hóa, giảm tối đa quãng đường dịch chuyển không tải của đầu cắt giữa các lần cắt khác nhau.
(1) Lead-in: là đoạn chạy dao phụ bên ngoài biên dạng chi tiết trước khi bắt đầu cắt chính thức. Nó giúp đảm bảo điểm đục lỗ không làm hỏng bề mặt thành phẩm.
(2) Dynamic lead-in positioning: thay vì đặt điểm bắt đầu cắt cố định ở một góc, phần mềm tự động thay đổi vị trí này tùy thuộc vào vị trí hiện tại của đầu cắt để tiết kiệm thời gian.

Ông cho biết thêm rằng tính năng tránh chướng ngại vật (feature avoidance), đảm bảo đầu cắt không đi ngang qua các chi tiết đã được cắt trước đó, cũng đóng vai trò quan trọng tại đây. Trong một số trường hợp, điều này có thể khiến đầu cắt phải đi đường vòng để đến điểm dẫn tiếp theo. Tuy nhiên, hiện nay việc di chuyển thêm một quãng đường ngắn có thể chỉ thêm vài giây cho một quy trình vốn đã không còn là vấn đề của toàn nhà máy.

5. Phát triển hệ thống quy trình khép kín
Tất cả tình huống xếp phôi đều mang tính đánh đổi, và với hàng ngàn chi tiết khác nhau mà hầu hết các nhà máy gia công tấm, đặc biệt là các nhà máy sản xuất sản lượng nhỏ, việc cân nhắc ưu nhược điểm của từng chi tiết là điều không thể. Ông Wood khẳng định đây là lúc phần mềm trở nên quan trọng hơn bao giờ hết: “Các nhà máy có các thuật toán logic tích hợp sẵn trong phần mềm, từ đó có thể tinh chỉnh và thêm các quy tắc cụ thể dựa trên loại chi tiết đang sản xuất, tình trạng sản xuất thực tế và các biến số đặc thù khác trong vận hành.”

Các nhà máy gia công có thể tối ưu hóa vận hành sâu hơn bằng cách nhìn vào quy trình tổng thể và tất cả dữ liệu có sẵn. Một số hệ thống nhất định có khả năng liên kết dữ liệu thu thập từ các cánh tay robot đo đạc ở bộ phận chất lượng với các tệp thiết kế tại văn phòng. Ông Wood chia sẻ: “Bằng cách này, các điều chỉnh có thể được thực hiện kịp thời nhằm đảm bảo công việc trôi chảy và vượt qua các yêu cầu khắt khe về chất lượng.”

Điều này bao gồm cả các phần mềm lập trình chấn ngoại tuyến (offline), giúp điều chỉnh kích thước phôi dựa trên các bộ khuôn cụ thể được sử dụng tại máy chấn. Phần mềm này sẽ truyền thông tin ngược lại cho hệ thống xếp phôi. Quá trình chấn chính xác sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các công đoạn hàn, liên kết và lắp ráp diễn ra thông suốt hơn.

Phần mềm mô phỏng gia công chấn có thể kết nối với các nền tảng khác, bao gồm việc xác định các bề mặt chuẩn, từ đó nền tảng xếp phôi sẽ tránh đặt các mấu nối tại những cạnh đó.

Liên quan đến kiểm soát sản xuất và lập kế hoạch, hệ thống xếp phôi có thể giao tiếp với phần mềm quản trị nguồn lực doanh nghiệp (ERP) hoặc hệ thống điều hành sản xuất (MES). Nhờ đó, kế hoạch sản xuất có thể được tối ưu hóa, và chi phí thực tế được so sánh chính xác với các dự toán ban đầu.

Ông Wood chia sẻ: “Mục tiêu quan trọng là xây dựng một hệ thống quy trình khép kín”. Ông cho biết khi quy trình dữ liệu trở nên nhất quán và chính xác, tốc độ cải tiến sẽ được đẩy nhanh. Khi đó, hoạt động cắt ban đầu cùng với toàn bộ chuỗi giá trị gia công kim loại tấm sẽ trở nên hiệu quả hơn bao giờ hết.

Để xem các tin bài khác về “Cắt laser”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: The Fabricator