Tự động hóa laser cho các xưởng gia công tấm kim loại: Nơi cắt giảm thời gian lao động và thiết lập

Tự động hóa laser cho các xưởng gia công tấm kim loại: Nơi cắt giảm thời gian lao động và thiết lập

Trong gia công kim loại tấm, mỗi phút bị mất do tải thủ công, sắp xếp bố trí (nesting) và chuyển đổi công việc đều ảnh hưởng đến tiến độ giao hàng, chi phí và kiểm soát dự án. Tự động hóa laser giúp các quản lý dự án giảm sự phụ thuộc vào lao động thủ công, rút ngắn thời gian thiết lập và duy trì lịch sản xuất ổn định hơn. Bài viết này khám phá những khâu trong quy trình cắt laser mà tự động hóa mang lại hiệu quả cao nhất, đồng thời đề xuất cách các xưởng nâng cao năng suất mà không làm giảm chất lượng hay tính linh hoạt.

Đối với các quản lý dự án, câu hỏi thực tiễn hiếm khi là việc tự động hóa có ấn tượng trên sàn sản xuất hay không. Câu hỏi thực sự là liệu nó có loại bỏ được những điểm nghẽn cụ thể khiến công việc không thể tiến hành đúng tiến độ hay không. Tại nhiều xưởng gia công kim loại tấm, tốc độ cắt của tia laser giờ đây không còn là yếu tố hạn chế chính. Những tổn thất thực sự xảy ra trước và sau khi tia laser được bật: chờ đợi công nhân vận hành, nâng và đặt tấm kim loại bằng xe nâng, phân loại các chi tiết hỗn hợp, thay đổi chương trình giữa các lô nhỏ, hoặc dọn sạch phần dư (skeleton) để công việc tiếp theo có thể bắt đầu.

Đó là lý do vì sao tự động hóa laser xứng đáng được quan tâm như một công cụ vận hành chứ không chỉ là một xu hướng công nghệ. Trong môi trường làm việc theo dự án, giá trị đến từ việc ổn định dòng công việc, giảm rủi ro về tiến độ và làm cho đầu ra ít phụ thuộc hơn vào một vài công nhân có kinh nghiệm.

Nơi lao động thực sự bị tiêu thụ trong quá trình cắt laser

Nhiều đội sản xuất đánh giá thấp mức độ lao động trực tiếp và gián tiếp liên quan đến một ô cắt laser. Họ tập trung vào thời gian vận hành máy, nhưng các chậm trễ dự án thường bắt nguồn từ các nhiệm vụ hỗ trợ khó quan sát hơn trên bảng điều khiển OEE.

Các yếu tố hao hụt lao động phổ biến bao gồm:

• nạp và căn chỉnh tấm vật liệu bằng tay;
• sắp xếp vật liệu cho nhiều công việc;
• chọn chương trình và xác minh thiết lập;
• dỡ và phân loại chi tiết;
• loại bỏ khung dư và phế liệu;
• xử lý lại do nhầm chi tiết hoặc sử dụng sai vật liệu;
• thời gian máy không hoạt động giữa các đơn hàng ngắn.

Tại các xưởng sản xuất đa chủng loại với khối lượng thấp đến trung bình, những vấn đề này gia tăng nhanh chóng. Một máy cắt laser có thể về mặt kỹ thuật là sẵn sàng, nhưng vẫn hoạt động kém hiệu quả từ góc độ lập kế hoạch vì mỗi lần chuyển đổi đều phụ thuộc vào thao tác của người vận hành. Đối với các trưởng dự án quản lý tiến độ xuyên suốt các công đoạn cắt, uốn, hàn và lắp ráp, điều này gây ra sự thiếu ổn định trong việc bàn giao sang các công đoạn tiếp theo.

Tự động hóa bằng laser có tác động mạnh nhất khi giải quyết những tổn thất không liên quan đến cắt. Đó là nơi thường ẩn chứa số giờ lao động và thời gian thiết lập.

Tải và dỡ tự động: con đường nhanh nhất để giảm sự phụ thuộc vào thao tác thủ công

Trong tất cả các lớp tự động hóa, tải và dỡ tự động thường mang lại lợi ích vận hành rõ ràng nhất. Chúng làm giảm tương tác với xe nâng, cải thiện an toàn trong quá trình xử lý tấm kim loại và cho phép máy tiếp tục hoạt động với ít gián đoạn hơn.

Đối với các quản lý dự án, giá trị không chỉ nằm ở việc giảm lao động về mặt số lượng nhân sự. Mà còn ở việc loại bỏ thời gian chờ đợi. Một máy có khả năng tự động chọn, đặt và dỡ vật liệu sẽ ít có khả năng ngừng hoạt động giữa các lần gia công, đặc biệt là trong ca thứ hai, khoảng thời gian ban đêm hoặc trong tình trạng thiếu hụt lao động.

Điều này còn quan trọng hơn nữa khi mô hình đặt hàng không đều. Các xưởng phục vụ hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (HVAC), tủ bao che, thiết bị nông nghiệp, tủ điện hoặc gia công theo hợp đồng thường phải đối mặt với sự pha trộn giữa các công việc nhỏ khẩn cấp và các đợt sản xuất được lên lịch trước. Việc tải vật liệu tự động giúp hấp thụ sự biến động này vì các công việc có thể được xếp hàng một cách ổn định hơn, đồng thời giảm số lần can thiệp thủ công giữa các công việc.

Tuy nhiên, không phải xưởng nào cũng đạt được cùng một kết quả. Mức tăng hiệu quả phụ thuộc vào thành phần vật liệu và cấu trúc công việc. Nếu xưởng xử lý các kích thước tấm rất khác nhau, bề mặt dễ bị tổn thương hoặc thường xuyên sử dụng phế liệu, thì hệ thống tự động hóa phải xử lý tốt độ phức tạp đó. Nếu không, máy vẫn có thể yêu cầu quá nhiều điều chỉnh thủ công từ người vận hành, khiến mức tiết kiệm lao động kỳ vọng không đạt được.

Việc giảm thời gian chuyển đổi quan trọng hơn tốc độ cắt tối đa được nêu bật

Các đội dự án thường bị thu hút bởi các bảng so sánh thiết bị dựa trên tốc độ cắt tối đa. Trên thực tế, đối với nhiều thao tác kim loại tấm, thời gian thiết lập và chuyển đổi có ảnh hưởng lớn hơn đến sản lượng hàng tuần so với hiệu suất cắt đỉnh.

Tự động hóa laser cải thiện điều này theo nhiều cách:

• xử lý vật liệu do chương trình điều khiển làm giảm việc chuẩn bị thủ công giữa các công việc;
• hàng đợi công việc tích hợp rút ngắn thời gian tạm dừng giữa các bản bố trí;
• quản lý vòi phun hoặc thông số tự động có thể giảm sai sót trong thiết lập ở một số hệ thống;
• theo dõi công việc kỹ thuật số giúp dễ dàng lên lịch sản xuất hỗn hợp mà không gây nhầm lẫn;
• tự động hóa xử lý chi tiết làm giảm nhu cầu dừng máy để dỡ tải.

Đối với các quản lý dự án, lợi ích chính là rút ngắn tiến độ. Nếu một xưởng thực hiện nhiều công việc ngắn, việc cắt giảm vài phút cho mỗi lần thiết lập có thể khôi phục được năng lực sản xuất hữu ích nhiều hơn so với việc theo đuổi những cải thiện nhỏ ở tốc độ tiến dao. Điều này trở nên đặc biệt quan trọng khi máy cắt laser nằm ở vị trí phía trước các công đoạn bị giới hạn năng lực như uốn ép hoặc hàn. Một ô cắt có tính dự báo cao hơn đồng nghĩa với việc các bộ phận phía sau nhận được công việc theo nhịp đều đặn hơn, từ đó làm giảm tình trạng xử lý sự cố trên toàn bộ dự án.

Tính dự báo này thường có giá trị hơn cả mức sử dụng máy thuần túy vì nó cải thiện hiệu suất đáp ứng ngày giao hàng.

Tự động hóa sắp xếp chi tiết chỉ mang lại hiệu quả khi được liên kết với thực tế sản xuất

Phần mềm sắp xếp chi tiết thường được bàn luận như một công cụ tiết kiệm vật liệu, nhưng xét từ góc độ triển khai dự án, tác động của nó đến lao động và thời gian thiết lập cũng quan trọng không kém. Việc sắp xếp chi tiết tốt hơn giúp giảm số lần thay tấm, cải thiện việc nhóm công việc và có thể hỗ trợ các ca sản xuất không cần người giám sát hoặc chỉ cần giám sát tối thiểu.

Tuy nhiên, đây là nơi nhiều xưởng mắc sai lầm trong lập kế hoạch: họ tối ưu hóa việc sắp xếp các chi tiết (nest) nhưng lại bỏ qua quy trình làm việc xung quanh nó.

Một bản sắp xếp các chi tiết (nest) rất hiệu quả trên giấy có thể gây ra vấn đề nếu nó trộn lẫn các chi tiết cấp bách và không cấp bách, làm phức tạp công việc phân loại, hoặc gửi thứ tự sai đến các công đoạn tiếp theo. Trong một số trường hợp, một bản sắp xếp các chi tiết (nest) kém hiệu quả về mặt vật liệu hơn một chút lại mang lại kết quả dự án tốt hơn vì nó đơn giản hóa việc nhận diện chi tiết, rút ngắn thời gian bàn giao và hỗ trợ đúng tiến độ lắp ráp thực tế.

Tự động hóa máy cắt laser hoạt động hiệu quả nhất khi việc sắp xếp các chi tiết (nesting) được tích hợp với hệ thống MES, ERP hoặc ít nhất là một hệ thống lập kế hoạch sản xuất được quản lý nghiêm ngặt. Nếu thiếu kết nối này, tự động hóa có thể đẩy nhanh những ưu tiên sai. Đối với các quản lý dự án, đây là một khác biệt then chốt. Mục tiêu không phải là chuyển động tự động hóa đơn thuần, mà là dòng chảy được kiểm soát, phù hợp với cam kết giao hàng.

Phân loại chi tiết thường là điểm nghẽn tiềm ẩn sau công đoạn cắt

Nhiều xưởng cải thiện việc nạp tấm nhưng vẫn mất thời gian ở khâu dỡ tải và phân loại. Đây là tình huống phổ biến trong các môi trường sản xuất đa dạng, nơi các bản cắt chứa nhiều mã chi tiết khác nhau, thuộc về nhiều khách hàng khác nhau hoặc được sắp xếp theo bộ lắp ráp theo giai đoạn.

Nếu công nhân dành quá nhiều thời gian để nhận diện, tách riêng và di chuyển chi tiết sau khi cắt, một phần lợi thế lao động từ việc nạp tự động sẽ bị mất đi. Vì vậy, việc phân loại chi tiết cần được quan tâm hơn trong kế hoạch tự động hóa.

Tùy theo quy mô sản xuất, giải pháp phù hợp có thể dao động từ hệ thống băng tải đơn giản để loại bỏ phế liệu đến các hệ thống chọn và xếp bằng robot tiên tiến hơn. Mức độ phức tạp cần thiết phụ thuộc vào kích thước chi tiết, dải độ dày, yêu cầu về chất lượng cắt cũng như việc chi tiết có không xương (skeleton-free) hay được giữ bằng vi-mấu (micro-tabbed). Các thành phần nhỏ, chi tiết phức tạp khó tự động hóa một cách sạch sẽ hơn so với các chi tiết lớn, lặp lại nhiều lần; do đó, tính khả thi về mặt kinh doanh thay đổi tùy theo ứng dụng.

Đối với người phụ trách dự án, câu hỏi nên đơn giản: vật liệu đã cắt chờ lâu nhất ở đâu trước khi bước gia công giá trị tiếp theo? Nếu câu trả lời là ‘trên hoặc gần máy laser’, thì việc dỡ tải và phân loại có khả năng hạn chế năng suất nhiều hơn tốc độ cắt.

Những thay đổi tự động hóa ảnh hưởng thế nào đến nhân sự và rủi ro tại xưởng sản xuất

Việc tự động hóa máy laser dễ bị hiểu nhầm là công cụ trực tiếp để loại bỏ lao động. Trên thực tế, lợi ích thực tế hơn là tái phân bổ lao động và giảm thiểu rủi ro.

Hầu hết các xưởng gia công tấm kim loại vẫn cần những người thợ lành nghề làm việc quanh các hệ thống tự động. Điểm khác biệt nằm ở chỗ thời gian của họ chuyển từ thao tác xử lý lặp đi lặp lại sang giám sát, xử lý ngoại lệ, kiểm tra chất lượng và điều phối lịch trình. Điều này đặc biệt quan trọng trong thị trường lao động hiện nay, nơi việc tuyển dụng và giữ chân các kỹ thuật viên vận hành máy có kinh nghiệm rất khó khăn.

Đối với quản lý dự án, sự chuyển dịch này giúp giảm nhiều rủi ro triển khai:

• giảm sự phụ thuộc vào một nhân viên duy nhất để đảm bảo máy laser hoạt động hiệu quả;
• giảm số lần chậm trễ do vắng mặt hoặc khoảng trống giữa các ca làm việc;
• đầu ra ổn định hơn trong ca làm việc kéo dài hoặc ngoài giờ;
• xác suất hư hại do thao tác thủ công với tấm vật liệu thấp hơn;
• tính nhất quán cao hơn trong việc sắp xếp trình tự công việc.

Tuy nhiên, tự động hóa cũng đặt ra những yêu cầu quản lý mới. Kỷ luật bảo trì trở nên quan trọng hơn. Việc chuẩn bị vật liệu phải chính xác hơn. Lỗi dữ liệu chương trình có thể ảnh hưởng đến khối lượng đầu ra lớn hơn trong thời gian ngắn hơn. Nếu xưởng thiếu kiểm soát quy trình, tự động hóa có thể khuếch đại những điểm yếu tổ chức thay vì giải quyết chúng.

Nơi tự động hóa laser có khả năng sinh lời cao nhất

Không phải mọi xưởng gia công đều cần tự động hóa ở cùng mức độ. Các khoản lợi nhuận mạnh nhất thường xuất hiện trong các môi trường đáp ứng đồng thời các điều kiện sau:

• biến động lao động thường xuyên giữa các ca;
• thời gian máy ngừng hoạt động giữa các công việc cao;
• khối lượng đơn hàng tăng nhưng nguồn lao động không tăng tương ứng;
• việc vận chuyển vật liệu lặp đi lặp lại đối với các kích thước tấm tiêu chuẩn;
• áp lực vận hành sản xuất không người hoặc bán tự động;
• các vấn đề giao hàng lặp lại do tắc nghẽn tại khu vực cắt;
• nhiều quy trình phía sau phải chờ đầu ra từ máy laser.

Ngược lại, trường hợp này có thể yếu hơn khi công việc cực kỳ tùy chỉnh, dòng vật liệu được tổ chức kém hoặc các điểm nghẽn phía sau chiếm ưu thế trong tổng thời gian thực hiện đơn hàng. Nếu năng lực uốn, hàng đợi hàn hoặc chậm trễ kiểm tra mới là những ràng buộc thực sự, thì chỉ tự động hóa riêng máy laser có thể không cải thiện tổng năng suất dự án nhiều như kỳ vọng.

Đây là một sai lầm phổ biến trong lập kế hoạch đầu tư vốn. Các nhóm đầu tư vào công nghệ đầu vào nổi bật nhất mà không kiểm tra xem nó có giải quyết đúng điểm gây mất tiến độ hay không.

Các vấn đề triển khai ảnh hưởng đến thành công của dự án

Xét về mặt thực hiện dự án, việc lắp đặt tự động hóa máy laser không chỉ đơn thuần là mua một thiết bị. Đó là việc thiết kế lại luồng công việc. Sự phù hợp kỹ thuật của hệ thống quan trọng, nhưng bố trí nhà xưởng, hậu cần vật liệu, tích hợp phần mềm và đào tạo cũng quan trọng không kém.

Trước khi tiến hành, các quản lý dự án thường cần câu trả lời rõ ràng cho một số câu hỏi vận hành:

• Bố trí mặt bằng hiện tại có đáp ứng được việc lưu trữ tự động tấm kim loại, các tuyến tải vào và khu vực dỡ hàng không?
• Hệ thống có xử lý được đúng hỗn hợp thực tế về kích thước, độ dày và vật liệu của các tấm trong xưởng không?
• Việc quản lý phế liệu sẽ được thực hiện như thế nào để không phát sinh công việc phụ thủ công?
• Mức độ tích hợp với phần mềm lập kế hoạch và theo dõi trạng thái sản xuất là bao nhiêu?
• Điều gì xảy ra khi một chi tiết bị nghiêng, một tấm bị tải kép hoặc thứ tự ưu tiên trong hàng đợi thay đổi giữa ca làm việc?
• Dịch vụ bảo trì có sẵn tại địa phương không và thời gian giao phụ tùng thay thế có chấp nhận được không?

Những câu hỏi này thường mang tính quyết định hơn các thông số kỹ thuật trong brochure. Các xưởng thành công với tự động hóa thường xây dựng quy trình xung quanh máy móc. Còn các xưởng gặp khó khăn thường kỳ vọng thiết bị sẽ bù đắp cho sự thiếu kỷ luật trong công tác lập kế hoạch.

Một cách thực tiễn để đánh giá tự động hóa mà không phóng đại quá mức lợi ích đầu tư (ROI)

Đối với các quản lý dự án, phương pháp đánh giá đáng tin cậy nhất là lập bản đồ thời gian bị mất trong suốt một chu kỳ sản xuất hoàn chỉnh thay vì chỉ ước tính mức tiết kiệm từ lao động. Hãy xem xét số phút thực tế dành cho việc chờ nguyên vật liệu, nạp phôi, chuyển đổi công việc, dỡ chi tiết, dọn phế liệu và sửa lỗi lên lịch. Sau đó xác định những khoản tổn thất nào trong số đó có thể được loại bỏ một cách ổn định nhờ tự động hóa.

Một phân tích khả thi về mặt kinh doanh cần bao gồm:

• thời gian máy nghỉ không hoạt động giữa các lần đặt phôi;
• số giờ lao động của người vận hành dành cho thao tác xử lý thay vì cắt gọt;
• tác động đến kế hoạch sản xuất khi triển khai ca thứ hai hoặc khả năng sản xuất không người giám sát;
• lợi ích ở các công đoạn tiếp theo nhờ dòng chảy chi tiết ổn định hơn;
• yêu cầu bảo trì và đào tạo;
• rủi ro sử dụng thiếu hiệu quả nếu cơ cấu sản phẩm thay đổi.

Cách tiếp cận này dẫn đến những quyết định tốt hơn so với các tuyên bố chung chung về sản xuất thông minh. Trong gia công kim loại tấm, tự động hóa bằng tia laser tạo ra giá trị lớn nhất khi loại bỏ các gián đoạn lặp đi lặp lại và bảo đảm độ tin cậy của tiến độ. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các hoạt động theo dự án, nơi một hàng đợi cắt bị chậm trễ có thể gây ảnh hưởng dây chuyền tới mua sắm, gia công, lắp ráp và vận chuyển.

Các xưởng đạt kết quả tốt nhất không phải lúc nào cũng là những xưởng có mức độ tự động hóa tiên tiến nhất. Thông thường, đó là những xưởng điều chỉnh mức độ tự động hóa sao cho phù hợp với cơ cấu đơn hàng, thực tế lao động và áp lực giao hàng theo dự án. Trong bối cảnh đó, tự động hóa bằng tia laser ít mang tính thay thế con người hơn mà chủ yếu nhằm xây dựng một quy trình cắt hoạt động ổn định và dự báo được dưới các điều kiện sản xuất thực tế.