Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành dệt nhuộm là một trong những ngành sản xuất truyền thống lâu đời và giữ vị trí quan trọng đối với nền kinh tế Việt Nam. Tuy nhiên, quy trình công nghệ dệt nhuộm đòi hỏi nhiều công đoạn xử lý liên hoàn, sử dụng khối lượng lớn nguyên vật liệu, hóa chất, nước và năng lượng. Trong quá trình vận hành thực tế tại các doanh nghiệp, việc tổ chức sản xuất thiếu tối ưu thường làm phát sinh nhiều dạng lãng phí phi giá trị gia tăng, trong đó lãng phí vận chuyển và lãng phí chờ đợi là những vấn đề nổi cộm nhưng thường bị xem như hoạt động hiển nhiên.

Khảo sát thực tế tại Công ty TNHH Sản Xuất Thương Mại Dệt Nhuộm Thuận Thiên (nhà máy đặt tại Khu công nghiệp Thịnh Phát, huyện Bến Lức, tỉnh Long An) cho thấy mặt bằng sản xuất hiện tại bộc lộ nhiều điểm bất hợp lý:

  • Kho nguyên vật liệu (vải mộc) được bố trí cách xa lối ra vào chính của nhà máy, khiến công tác nhập nguyên liệu tốn nhiều thời gian bốc dỡ và vận chuyển nội bộ.
  • Khoảng cách từ khu vực máy mở khổ đến khu vực máy nhuộm quá xa, làm gián đoạn dòng chảy vật liệu và tính liên tục của dây chuyền.
  • Diện tích mặt bằng nhà xưởng có nhiều khoảng trống chưa được khai thác hiệu quả, trong khi khu vực máy ly tâm và máy xẻ khổ lại đặt quá sát máy căng kim định hình, làm thu hẹp lối đi của công nhân, buộc công nhân phải di chuyển đường vòng khi tiếp liệu.
  • Công đoạn máy căng kim thường xuyên phải dừng chờ tích lũy đủ 25 cây vải mộc từ khu vực xẻ khổ mới có thể vận hành, dẫn đến tỷ lệ thời gian máy nhàn rỗi (idle time) cao.

Đồ án tốt nghiệp xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Quan sát, khảo sát và thu thập dữ liệu sản xuất nhằm nhận diện các dạng lãng phí và các điểm bất hợp lý trong việc bố trí mặt bằng theo quan điểm của phương pháp sản xuất tinh gọn (Lean Manufacturing).
  2. Áp dụng phương pháp Hoạch định mặt bằng hệ thống (Systematic Layout Planning - SLP) để thiết kế các phương án bố trí mặt bằng cải tiến, giảm thiểu quãng đường và chi phí vận chuyển nguyên vật liệu.
  3. Đề xuất các giải pháp cải tiến tổ chức sản xuất nhằm nâng cao sản lượng đầu ra của nhà máy.
  4. Ứng dụng các phần mềm kỹ thuật (AutoCAD, SketchUp, FlexSim) để mô phỏng động, trực quan hóa không gian và so sánh định lượng hiệu quả giữa phương án cải tiến với hiện trạng sản xuất.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là quy trình công nghệ xử lý vải mộc, cách thức bố trí mặt bằng phân xưởng, dòng vận chuyển nguyên vật liệu và trạng thái hoạt động của máy móc, công nhân tại Công ty TNHH SX-TM Dệt Nhuộm Thuận Thiên. Phạm vi không gian nghiên cứu giới hạn tại khuôn viên xưởng sản xuất của công ty ở Bến Lức, Long An; phạm vi thời gian dựa trên số liệu thu thập trong giai đoạn thực tập và hoàn thành đồ án vào tháng 7 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng khung phân tích dựa trên sự kết hợp giữa lý thuyết quản trị sản xuất tinh gọn, kỹ thuật bố trí mặt bằng công nghiệp và công cụ mô phỏng số:

Khung lý thuyết và mô hình áp dụng

  • Lean Manufacturing (Sản xuất tinh gọn): Hệ thống hóa lịch sử phát triển từ hệ thống sản xuất Ford, phương pháp quản lý khoa học của Taylor đến Hệ thống sản xuất Toyota (TPS) do Taiichi Ohno và Eiji Toyoda phát triển, cùng các nguyên tắc Just-In-Time (JIT) và Kaizen. Đồ án tập trung nhận diện 7 loại lãng phí trong sản xuất: Hàng lỗi (Defects), Xử lý thừa (Over-processing), Sản xuất dư thừa (Over-production), Chờ đợi (Waiting), Tồn kho (Inventory), Vận chuyển (Transportation) và Động tác thừa (Motion).
  • Lý thuyết bố trí sản xuất (Facility Layout): Phân tích 5 dạng bố trí mặt bằng gồm bố trí theo sản phẩm (dây chuyền), theo quy trình, bố trí kết hợp (hỗn hợp), bố trí cố định và bố trí dạng tế bào (Cellular Layout); kết hợp tuân thủ 7 nguyên tắc thiết kế nhà xưởng (tính năng sản phẩm, an toàn lao động, tuân thủ dòng quy trình, khả năng mở rộng, tận dụng không gian, tính linh hoạt và giảm thiểu vận chuyển ngược chiều).
  • Phương pháp Hoạch định mặt bằng hệ thống (Systematic Layout Planning - SLP): Triển khai quy trình chuẩn 10 bước dựa trên việc phân tích dữ liệu P-Q-R-S-T (Product, Quantity, Routing, Supporting Services, Timing). Sử dụng biểu đồ mối quan hệ hoạt động (Relationship Chart - REL Chart) với 6 mức độ ưu tiên khoảng cách ($A$: Tuyệt đối cần thiết, $E$: Đặc biệt quan trọng, $I$: Quan trọng, $O$: Bình thường, $U$: Không quan trọng, $X$: Không được gần nhau).
  • Mô hình tính toán chi phí dòng vận chuyển: Đánh giá hiệu quả mặt bằng thông qua hàm mục tiêu tổng chi phí vận chuyển ($C$):

$$C = \sum_{i=1}^n \sum_{j=1}^n c_{ij} D_{ij}$$

Trong đó:

  • $n$: Tổng số khu vực / công đoạn sản xuất.
  • $c_{ij}$: Hệ số chi phí/tần suất vận chuyển giữa hai công đoạn $i$ và $j$.
  • $D_{ij}$: Khoảng cách di chuyển theo tọa độ trực giao (Manhattan distance) giữa trọng tâm hai khu vực:

$$D_{ij} = |x_i - x_j| + |y_i - y_j|$$

Phương pháp nghiên cứu và công cụ kỹ thuật

  • Phương pháp thu thập và xử lý số liệu: Đo đạc kích thước máy móc, diện tích khu vực, bấm giờ chu kỳ thao tác (Cycle Time), thời gian cài đặt máy (Setup Time) và thống kê dòng dịch chuyển vật tư.
  • Phần mềm thiết kế 2D và 3D: Sử dụng AutoCAD để xuất bản vẽ kỹ thuật mặt bằng 2D; sử dụng SketchUp để dựng mô hình không gian 3D chi tiết của toàn bộ nhà máy.
  • Phần mềm mô phỏng sự kiện rời rạc FlexSim: Xây dựng mô hình mô phỏng dòng sản xuất hiện trạng và phương án cải tiến; thiết lập các đối tượng Source, Queue, Processor, Operator và Process Flow; đo lường các chỉ số KPI gồm: tỷ lệ vận hành (% Processing), tỷ lệ nhàn rỗi (% Idle) của thiết bị, tỷ lệ thời gian di chuyển của công nhân và sản lượng đầu ra (Throughput).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc giảm thiểu lãng phí và tối ưu hóa mặt bằng trong ngành dệt nhuộm. Giới thiệu tổng quan về đề tài tại Công ty TNHH SX-TM Dệt Nhuộm Thuận Thiên, xác định rõ mục tiêu, phương pháp tiếp cận, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và cấu trúc 6 chương của bản thuyết minh đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 hệ thống hóa cơ sở lý luận về Lean Manufacturing, 7 dạng lãng phí sản xuất, các nguyên lý bố trí mặt bằng công nghiệp và quy trình 10 bước của phương pháp SLP. Chương này cũng phân tích tổng quan về công nghệ mô phỏng, giới thiệu tính năng của các phần mềm AutoCAD, SketchUp, FlexSim, cùng hệ thống các chỉ số KPI đánh giá hiệu quả sản xuất. Đồng thời, tác giả tổng hợp 15 công trình nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước về ứng dụng SLP, Lean và mô phỏng FlexSim trong công nghiệp dệt may, cơ khí và chế tạo.

Chương 3: Khảo sát, đánh giá và phân tích hiện trạng tại Công ty TNHH SX-TM Dệt Nhuộm Thuận Thiên

Chương 3 đi sâu khảo sát thực tế tại doanh nghiệp:

  • Tổng quan doanh nghiệp: Công ty chuyên kinh doanh bán buôn vải dệt và nhuộm, đi vào sản xuất từ năm 2016 (doanh thu 5 tỷ đồng), đến năm 2022 doanh thu đạt 20 tỷ đồng. Cơ cấu nhân sự gồm 50 người (Sản xuất 37 người, Cải tiến 4 người, Mua hàng 2, Bán hàng 2, R&D 2, Tài chính 2, Nhân sự 1).
  • Hệ thống thiết bị sản xuất:
    • Máy mở khổ: Tốc độ 20–80 m/phút, kích thước $2{,}4 \times 3\text{ m}$.
    • Máy nhuộm nhỏ: Nhiệt độ $140^\circ\text{C}$, công suất 120–180 kg/thân, nhuộm 8 cây mộc/mẻ/giờ, kích thước $6{,}5 \times 2\text{ m}$.
    • Máy nhuộm lớn: Nhiệt độ $140^\circ\text{C}$, công suất 240–360 kg/2 thân, nhuộm 15 cây mộc/mẻ/1,5 giờ, kích thước $8 \times 3 \times 2\text{ m}$.
    • Máy ly tâm: Model CO-HH2000, đường kính $D = 2000\text{ mm}$, chiều cao thùng $1090\text{ mm}$, tốc độ 550–600 vòng/phút, kích thước $2{,}9\text{ m}$.
    • Máy xẻ khổ: Động cơ chính 2 HP điều khiển biến tần, động cơ dao cắt 1/2 HP $\times$ 2P, tốc độ 30–80 m/phút, khổ vải tối đa 40 inch, kích thước $2{,}4 \times 3\text{ m}$.
    • Máy căng kim: 8 buồng sấy, tốc độ 25–80 m/phút, khổ làm việc đến $7\text{ m}$, kích thước $3{,}5 \times 3\text{ m}$.
    • Máy xếp vải: Tốc độ 0–100 nếp/phút, khổ vải gấp $2\text{ m}$, kích thước $3 \times 2{,}5\text{ m}$.
  • Quy trình sản xuất 7 bước: Nhập mộc $\rightarrow$ Mở khổ (xả hàng nối dây) $\rightarrow$ Nhuộm (sử dụng phương pháp nhuộm gián đoạn kết hợp cân màu) $\rightarrow$ Ly tâm (vắt khô) $\rightarrow$ Xẻ khổ $\rightarrow$ Căng kim định hình $\rightarrow$ Xếp vải và đóng gói.
STT Tên phân khu chức năng Kích thước Dài $\times$ Rộng (m) Diện tích ($\text{m}^2$)
1 Kho vải mộc $16{,}5 \times 12{,}5$ 206,25
2 Khu máy mở khổ $5{,}0 \times 5{,}0$ 25,00
3 Khu nhuộm $21{,}0 \times 12{,}5$ 262,50
4 Khu ly tâm $14{,}5 \times 4{,}5$ 65,25
5 Khu xẻ khổ $6{,}5 \times 4{,}5$ 29,25
6 Khu căng kim $42{,}1 \times 5{,}0$ 210,50
7 Phòng kỹ thuật $4{,}5 \times 5{,}0$ 22,50
8 Kho màu $11{,}0 \times 3{,}0$ 33,00
9 Phòng cân màu $6{,}0 \times 5{,}0$ 30,00
10 Văn phòng $5{,}0 \times 11{,}0$ 55,00
11 Khu đóng gói $11{,}6 \times 3{,}6$ 41,76
12 Khu thành phẩm $8{,}8 \times 6{,}36$ 56,00

Thông số chu kỳ sản xuất thu thập phục vụ mô phỏng FlexSim:

STT Tên công đoạn Cycle Time (giây) Setup Time (giây) Quy cách xử lý
1 Mở khổ 60 0 1 sản phẩm / lần
2 Nhuộm lớn 5400 0 15 sản phẩm / lần
3 Nhuộm nhỏ 3600 0 8 sản phẩm / lần
4 Ly tâm 900 0 6 sản phẩm / lần
5 Xẻ khổ 60 0 1 sản phẩm / lần
6 Căng kim định hình 23 120 1 sản phẩm / lần
7 Xếp vải 90 0 1 sản phẩm / lần

Chương 4: Áp dụng phương pháp Lean và SLP

Chương 4 thực hiện phân tích ma trận mối quan hệ hoạt động REL giữa 12 khu vực và thiết kế 3 phương án bố trí mặt bằng thay thế:

  • Thiết lập tọa độ trọng tâm $(x, y)$ và tính toán ma trận khoảng cách $D_{ij}$ cho từng phương án.
  • Tính toán tổng trọng số dòng di chuyển vật liệu ($\sum c_{ij} D_{ij}$): Phương án 1 đạt tổng chi phí/khoảng cách vận chuyển thấp nhất trong 3 phương án.
  • Cấu hình lại mô hình mô phỏng trên phần mềm FlexSim cho Phương án 1 và so sánh đối chiếu với mô hình hiện trạng để đánh giá sự thay đổi của các chỉ số hiệu suất.

Chương 5: Mô phỏng 3D phương án cải tiến bằng phần mềm SketchUp

Chương 5 mô tả quá trình chuyển đổi thiết kế bố trí từ bản vẽ 2D sang không gian 3D hoàn chỉnh bằng phần mềm SketchUp. Mô hình thể hiện chân thực quy mô nhà xưởng, vị trí chính xác của từng cụm thiết bị (kho mộc, máy mở khổ, hệ thống máy nhuộm gián đoạn, máy ly tâm, máy xẻ khổ, máy căng kim, phòng kỹ thuật, phòng cân màu, khu đóng gói và kho thành phẩm), giúp kiểm tra trực quan khoảng cách lối đi và khả năng lưu thông của phương tiện vận chuyển nội bộ.

Chương 6: Kết luận và định hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được về mặt lý thuyết và ứng dụng thực tiễn, đồng thời chỉ ra các định hướng phát triển tiếp theo của đề tài nhằm hoàn thiện hệ thống sản xuất tại doanh nghiệp.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu mang lại các kết quả cải tiến định lượng cụ thể sau khi tối ưu hóa mặt bằng bằng phương pháp SLP và kiểm chứng qua mô phỏng FlexSim:

Số liệu kết quả thực nghiệm mô phỏng

  • Thời gian nhàn rỗi của thiết bị (Idle Time):
    • Máy mở khổ ghi nhận mức giảm tỷ lệ thời gian nhàn rỗi lên đến 98% nhờ được bố trí lại gần kho vải mộc và công đoạn nhuộm.
    • Máy căng kim giảm tỷ lệ thời gian nhàn rỗi được 19% nhờ việc giảm thời gian chờ tích lũy hàng từ công đoạn xẻ khổ.
  • Thời gian di chuyển của công nhân:
    • Tỷ lệ % thời gian di chuyển của công nhân ở tất cả các khu vực đều giảm rõ rệt.
    • Tuyến vận chuyển từ Kho qua Mở khổ và từ Mở khổ qua Nhuộm có tỷ lệ thời gian di chuyển giảm 66% so với ban đầu.
  • Năng suất đầu ra:
    • Sản lượng hoàn thiện tăng từ 159 cuộn vải lên 186 cuộn vải (tăng thêm 27 cuộn vải trong cùng chu kỳ sản xuất).
Chỉ số đánh giá Trước cải tiến (Hiện trạng) Sau cải tiến (Phương án tối ưu) Mức độ thay đổi
Tỷ lệ thời gian nhàn rỗi máy mở khổ Mức cao (do cách xa công đoạn nhuộm) Giảm thiểu đáng kể Giảm 98%
Tỷ lệ thời gian nhàn rỗi máy căng kim Chờ tích lũy 25 cây mộc Lưu thông liên tục hơn Giảm 19%
Thời gian di chuyển nhân công (Kho $\rightarrow$ Mở khổ $\rightarrow$ Nhuộm) Quãng đường xa, phân tán Rút ngắn khoảng cách Giảm 66%
Sản lượng thành phẩm đầu ra 159 cuộn 186 cuộn Tăng 17% (+27 cuộn)

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Tái cấu trúc mặt bằng sản xuất: Đặt máy mở khổ tiếp giáp kho vải mộc và khu vực máy nhuộm; nới rộng không gian di chuyển quanh khu vực ly tâm và xẻ khổ; mở lối đi thẳng trực tiếp đến máy căng kim thay vì đi đường vòng.
  • Đồng bộ hóa năng lực sản xuất giữa các trạm máy nhằm hạn chế điểm nghẽn tích lũy phôi trung gian (WIP).

Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp giải pháp khoa học kết hợp giữa công cụ quản trị tinh gọn (Lean), kỹ thuật quy hoạch mặt bằng (SLP) và công nghệ mô phỏng số (FlexSim, SketchUp) để giải quyết triệt để bài toán lãng phí vận chuyển trong doanh nghiệp dệt nhuộm vừa và nhỏ.
  • Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu chi tiết về chu kỳ thời gian (cycle time), kích thước thiết bị và thông số kỹ thuật phục vụ cho việc chuẩn hóa quy trình tại Công ty Dệt Nhuộm Thuận Thiên.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Đề tài chủ yếu tập trung giải quyết lãng phí vận chuyển và lãng phí chờ đợi phát sinh từ yếu tố bố trí không gian mặt bằng sản xuất.
  • Chưa đi sâu phân tích và tính toán các chi phí liên quan đến việc di dời vật lý hệ thống đường ống hơi nước, nguồn cấp nước và hệ thống xử lý nước thải công nghiệp khi tái bố trí các cụm máy nhuộm và máy ly tâm.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nghiên cứu áp dụng các công cụ Lean chuyên sâu khác như 5S toàn diện, Bảo trì năng suất tổng thể (TPM) cho hệ thống máy nhuộm áp suất cao và máy căng kim.
  • Mở rộng mô hình mô phỏng để tích hợp các biến số về tiêu thụ năng lượng (điện năng, nhiệt lượng lò hơi) và kiểm soát tỷ lệ lỗi sai màu vải nhằm nâng cao chất lượng toàn diện.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên và giảng viên các ngành Kỹ thuật Hệ thống Công nghiệp, Quản lý Công nghiệp, Kỹ thuật Cơ khí và Công nghệ Dệt May trong việc vận dụng lý thuyết SLP và Lean vào thực tế nhà xưởng.
  • Các kỹ sư quản lý sản xuất, chuyên viên cải tiến liên tục (Kaizen/Lean Engineer) tại các nhà máy dệt, nhuộm, may mặc và các phân xưởng sản xuất gián đoạn đang tìm kiếm phương pháp giảm thiểu lãng phí vận chuyển.
  • Phần đáng tham khảo nhất của đồ án là quy trình tính toán tọa độ trọng tâm, lập ma trận khoảng cách trực giao $D_{ij}$ kết hợp hệ số chi phí $c_{ij}$ để lựa chọn layout tối ưu, cùng các bước thiết lập đối tượng, thuộc tính Trigger và Process Flow trong phần mềm mô phỏng FlexSim.

Câu hỏi thường gặp

1. Doanh nghiệp trong đồ án áp dụng phương pháp nhuộm nào và quy trình sản xuất gồm các bước nào?

Công ty TNHH SX-TM Dệt Nhuộm Thuận Thiên áp dụng phương pháp nhuộm gián đoạn. Quy trình sản xuất vải mộc gồm 7 bước liên hoàn: Nhập mộc $\rightarrow$ Xả hàng nối dây và chia dây (mở khổ) $\rightarrow$ Vô máy nhuộm (phòng cân màu xác định công thức) $\rightarrow$ Ly tâm (vắt khô) $\rightarrow$ Xẻ khổ $\rightarrow$ Căng kim định hình $\rightarrow$ Xếp vải và đóng gói thành phẩm.

2. Thông số kỹ thuật và năng suất của hệ thống máy nhuộm tại xưởng được ghi nhận ra sao?

Nhà máy sử dụng hai loại máy nhuộm:

  • Máy nhuộm nhỏ: Nhiệt độ làm việc $140^\circ\text{C}$, dung lượng 120–180 kg/thân, chu kỳ nhuộm 1 mẻ trong 1 giờ (3600 giây), xử lý 8 cây mộc/lần, kích thước $6{,}5 \times 2\text{ m}$.
  • Máy nhuộm lớn: Nhiệt độ làm việc $140^\circ\text{C}$, dung lượng 240–360 kg/2 thân, chu kỳ nhuộm 1 mẻ trong 1,5 giờ (5400 giây), xử lý 15 cây mộc/lần, kích thước $8 \times 3 \times 2\text{ m}$.

3. Nguyên nhân cốt lõi khiến công đoạn căng kim có thời gian nhàn rỗi cao ở mặt bằng cũ là gì?

Ở mặt bằng hiện trạng, máy căng kim có thời gian nhàn rỗi cao do hai nguyên nhân: khu vực xẻ khổ bố trí cách xa và quá chật chội khiến công nhân phải chờ tích lũy đủ 25 cây vải mộc mới chuyển đến máy căng kim, đồng thời lối đi bị che chắn bởi khu ly tâm và xẻ khổ buộc công nhân phải vận chuyển đi đường vòng.

4. Nhóm tác giả sử dụng tiêu chuẩn toán học nào để lựa chọn phương án mặt bằng tối ưu?

Tác giả sử dụng hàm mục tiêu tổng chi phí/khoảng cách vận chuyển $C = \sum \sum c_{ij} D_{ij}$, trong đó $D_{ij} = |x_i - x_j| + |y_i - y_j|$ là khoảng cách Manhattan tính từ tọa độ trọng tâm $(x, y)$ của các phân khu và $c_{ij}$ là hệ số chi phí/tần suất lưu chuyển vật liệu. Phương án 1 được chọn do có tổng trọng số dòng vận chuyển nhỏ nhất.

5. Kết quả cải tiến sau khi bố trí lại mặt bằng đạt được những chỉ số định lượng nào?

Sau khi tối ưu hóa mặt bằng và mô phỏng trên FlexSim: tỷ lệ thời gian nhàn rỗi của máy mở khổ giảm 98%, máy căng kim giảm 19% thời gian nhàn rỗi; tỷ lệ thời gian di chuyển của công nhân tuyến kho mộc – mở khổ – nhuộm giảm 66%; sản lượng đầu ra tăng từ 159 cuộn lên 186 cuộn vải.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã giải quyết thành công bài toán lãng phí vận chuyển và gián đoạn sản xuất tại Công ty TNHH SX-TM Dệt Nhuộm Thuận Thiên thông qua việc kết hợp phương pháp Hoạch định mặt bằng hệ thống (SLP) và triết lý Lean Manufacturing. Việc ứng dụng công cụ mô phỏng động FlexSim cùng bản vẽ 2D AutoCAD và mô hình 3D SketchUp đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả vượt trội của phương án bố trí mới, giúp nâng sản lượng thành phẩm từ 159 lên 186 cuộn vải và cắt giảm 66% thời gian di chuyển của công nhân tại các công đoạn trọng yếu. Kết quả nghiên cứu là tài liệu kỹ thuật có giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho việc tối ưu hóa vận hành nhà xưởng trong ngành công nghiệp dệt nhuộm.