Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ảnh hưởng nghiêm trọng của đại dịch COVID-19 từ năm 2020 đến 2021, chuỗi cung ứng toàn cầu gặp nhiều gián đoạn, dẫn đến việc giao hàng nguyên liệu tại nhiều nhà máy sản xuất bị chậm trễ. Tại Nhà máy B, một đơn vị sản xuất vòng thép cho bộ truyền động vô cấp ô tô, tỷ lệ phế phẩm tại công đoạn thấm Ni tơ tăng đột biến từ khoảng 2% lên gần 6% trong giai đoạn tháng 4 đến tháng 7 năm 2021. Nguyên nhân chính được xác định là do thời gian vận chuyển cuộn thép nguyên liệu tăng thêm trung bình 18 ngày, tạo điều kiện cho rỉ sét phát triển trên bề mặt thép, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng lớp thấm Ni tơ.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng các phương pháp thiết kế thực nghiệm hiện đại, cụ thể là phương pháp Taguchi và phương pháp Response Surface, nhằm tối ưu hóa quy trình thấm Ni tơ, giảm tỷ lệ phế phẩm và nâng cao độ ổn định của quy trình sản xuất. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào dây chuyền sản xuất vòng thép tại Nhà máy B trong khoảng thời gian từ tháng 4 đến tháng 7 năm 2021, giai đoạn chịu ảnh hưởng nặng nề của dịch bệnh và gián đoạn chuỗi cung ứng.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm thiểu chi phí do phế phẩm và nhập khẩu bù đắp sản phẩm, đồng thời góp phần xây dựng bộ công cụ giải quyết vấn đề tiên tiến, phù hợp với điều kiện sản xuất trong bối cảnh biến động khó lường. Kết quả nghiên cứu giúp tiết kiệm hàng chục nghìn đô la Mỹ chỉ trong vòng 2 tháng sau khi áp dụng các giải pháp cải tiến.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai phương pháp thiết kế thực nghiệm chính:

  1. Thiết kế thực nghiệm Taguchi: Phương pháp này sử dụng quy hoạch thực nghiệm dạng trực giao để sàng lọc và xác định các biến có ảnh hưởng lớn đến kết quả sản xuất. Taguchi tập trung vào việc tối ưu hóa giá trị trung bình và giảm thiểu độ lệch chuẩn của kết quả nhằm đảm bảo độ ổn định của quy trình. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong việc kiểm soát tương tác giữa biến kiểm soát và biến nhiễu, từ đó khống chế sự biến động không mong muốn trong sản xuất.

  2. Phương pháp đáp ứng bề mặt (Response Surface Methodology - RSM): Đây là kỹ thuật tối ưu hóa đa biến, cho phép mô hình hóa và phân tích ảnh hưởng của nhiều yếu tố cùng lúc, bao gồm cả tương tác giữa các yếu tố, nhằm tìm ra vùng thông số tối ưu cho quy trình. RSM sử dụng các mô hình đa thức bậc hai để dự đoán và tối ưu hóa kết quả, giúp giảm số lượng thí nghiệm cần thiết so với phương pháp tối ưu hóa đơn yếu tố truyền thống.

Các khái niệm chính bao gồm: biến kiểm soát (factor), biến nhiễu (noise factor), tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (Signal-to-Noise ratio), CpK (chỉ số khả năng quy trình), và các mô hình thiết kế thực nghiệm như Full Three-level Design, Box-Behnken Design, Central Composite Design, và Doehlert Design.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ dây chuyền sản xuất vòng thép tại Nhà máy B, bao gồm số liệu về lớp thấm Ni tơ, thời gian vận chuyển cuộn thép, các thông số vận hành lò thấm Ni tơ và tỷ lệ phế phẩm trong giai đoạn tháng 4 đến tháng 7 năm 2021.

Phương pháp nghiên cứu gồm hai giai đoạn chính:

  • Giai đoạn 1: Áp dụng thiết kế thực nghiệm Taguchi để sàng lọc 7 biến đầu vào gồm nhiệt độ lò oxy, nhiệt độ lò nitriding, thời gian chu trình lò oxy, thời gian chu trình lò nitriding, lưu lượng khí N2, lưu lượng khí NH3 và thời gian vận chuyển cuộn thép. Mục tiêu là xác định các biến có ảnh hưởng lớn nhất đến độ dày và độ ổn định của lớp thấm Ni tơ.

  • Giai đoạn 2: Dựa trên kết quả sàng lọc, giữ cố định các biến ít ảnh hưởng và tiến hành thiết kế thực nghiệm Response Surface với 3 biến quan trọng nhất (nhiệt độ lò oxy, thời gian chu trình lò oxy, thời gian vận chuyển cuộn thép) để xây dựng mô hình toán học dự đoán độ dày lớp thấm và tìm ra bộ thông số tối ưu.

Cỡ mẫu thực nghiệm gồm 8 lượt chạy cho Taguchi với mỗi lượt đo 25 mẫu, và 15 lượt chạy cho Response Surface với tổng cộng 225 mẫu được thử nghiệm. Phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm Minitab, với các phương pháp thống kê như phân tích phương sai (ANOVA), kiểm định P-value, và phân tích tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2021, trong đó các thử nghiệm được thực hiện xen kẽ với hoạt động sản xuất nhằm giảm thiểu ảnh hưởng đến dây chuyền.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của thời gian vận chuyển cuộn thép đến chất lượng lớp thấm: Thời gian vận chuyển tăng trung bình 18 ngày (từ 49 ngày lên 68 ngày) làm tăng tỷ lệ lỗi lớp thấm Ni tơ từ khoảng 2% lên gần 6%, tương ứng với chi phí phế phẩm tăng thêm khoảng 40,000 USD mỗi tháng. Thử nghiệm vận chuyển bằng đường hàng không với thời gian 11 ngày không phát sinh lỗi, khẳng định mối liên hệ giữa thời gian vận chuyển và chất lượng sản phẩm.

  2. Kết quả thiết kế thực nghiệm Taguchi: Trong 7 biến nghiên cứu, lưu lượng khí NH3 (X6) có ảnh hưởng lớn nhất đến độ dày lớp thấm nhưng lại làm tăng độ biến động (độ lệch chuẩn) khi ở mức cao. Nhiệt độ lò oxy (X1) và thời gian chu trình lò oxy (X3) cũng ảnh hưởng tích cực đến độ dày và độ ổn định lớp thấm. Thời gian vận chuyển cuộn thép (X7) có ảnh hưởng nghịch chiều, tức là thời gian càng dài thì độ dày lớp thấm càng giảm. Các biến còn lại có ảnh hưởng không đáng kể.

  3. Kết quả thiết kế thực nghiệm Response Surface: Mô hình hồi quy đa thức bậc hai được xây dựng với 3 biến X1, X3, X7 cho thấy thời gian chu trình lò oxy (X3) có ảnh hưởng lớn nhất đến độ dày lớp thấm, tiếp theo là nhiệt độ lò oxy (X1) và thời gian vận chuyển cuộn thép (X7). Mô hình có độ tin cậy cao với các điểm dữ liệu phân bố sát đường hồi quy, P-value của các biến đều nhỏ hơn 0.05, chứng tỏ ảnh hưởng có ý nghĩa thống kê.

  4. Hiệu quả cải tiến: Sau khi áp dụng bộ thông số tối ưu được xác định qua thiết kế thực nghiệm, tỷ lệ phế phẩm giảm từ gần 6% xuống còn khoảng 2%, giúp tiết kiệm hàng chục nghìn đô la Mỹ chỉ trong vòng 2 tháng. Chỉ số CpK của lớp thấm đạt trên 1, đảm bảo độ ổn định và chất lượng sản phẩm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng lỗi lớp thấm là do thời gian vận chuyển nguyên liệu kéo dài, tạo điều kiện cho rỉ sét phát triển trên bề mặt cuộn thép, làm giảm khả năng thấm Ni tơ. Các phương pháp giải quyết vấn đề truyền thống như 8D không thể tìm ra giải pháp tối ưu do tính chất mới lạ và phức tạp của vấn đề. Thiết kế thực nghiệm, đặc biệt là phương pháp Taguchi và Response Surface, đã chứng minh hiệu quả vượt trội trong việc xác định các yếu tố ảnh hưởng và tối ưu hóa quy trình.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành công nghiệp ô tô và sản xuất thép, kết quả này phù hợp với xu hướng ứng dụng thiết kế thực nghiệm để nâng cao chất lượng và ổn định quy trình trong điều kiện biến động cao. Việc sử dụng tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu giúp giảm thiểu ảnh hưởng của biến nhiễu như thời gian vận chuyển, từ đó cải thiện độ ổn định sản xuất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ Pareto thể hiện mức độ ảnh hưởng của các biến, biểu đồ phân bố lớp thấm trước và sau cải tiến, cũng như bảng so sánh tỷ lệ phế phẩm và chi phí tương ứng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng thường xuyên thiết kế thực nghiệm trong giải quyết vấn đề sản xuất: Nhà máy nên tích hợp phương pháp Taguchi và Response Surface vào bộ công cụ chuẩn để xử lý các vấn đề chất lượng phức tạp, nhằm nâng cao hiệu quả và giảm chi phí. Thời gian triển khai: ngay trong năm 2022. Chủ thể thực hiện: phòng kỹ thuật và nhóm cải tiến chất lượng.

  2. Tối ưu hóa quy trình vận chuyển nguyên liệu: Mặc dù khó kiểm soát hoàn toàn do ảnh hưởng của dịch bệnh, nhà máy cần phối hợp chặt chẽ với nhà cung cấp và bộ phận logistics để giảm thiểu thời gian giao hàng, ưu tiên vận chuyển bằng đường hàng không hoặc các phương thức nhanh hơn khi có thể. Thời gian thực hiện: liên tục, ưu tiên trong 6 tháng tới. Chủ thể: bộ phận mua hàng và logistics.

  3. Điều chỉnh thông số lò thấm Ni tơ theo mô hình tối ưu: Duy trì nhiệt độ lò oxy ở mức cao và tăng thời gian chu trình lò oxy trong giới hạn cho phép để đảm bảo độ dày và ổn định lớp thấm, đồng thời giữ lưu lượng khí NH3 ở mức thấp để giảm biến động. Thời gian thực hiện: ngay lập tức. Chủ thể: đội ngũ vận hành và kỹ thuật quy trình.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho nhân viên về thiết kế thực nghiệm và quản lý chất lượng: Tổ chức các khóa đào tạo về phương pháp thiết kế thực nghiệm và phân tích dữ liệu nhằm nâng cao năng lực giải quyết vấn đề cho đội ngũ kỹ sư và công nhân. Thời gian: trong vòng 3 tháng. Chủ thể: phòng đào tạo và quản lý chất lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và quản lý sản xuất tại các nhà máy công nghiệp: Luận văn cung cấp phương pháp và ví dụ thực tiễn về ứng dụng thiết kế thực nghiệm để cải tiến quy trình, giúp họ nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí phế phẩm.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hệ thống công nghiệp: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá về ứng dụng các mô hình thiết kế thực nghiệm Taguchi và Response Surface trong môi trường sản xuất thực tế, đồng thời cung cấp dữ liệu và phân tích chi tiết.

  3. Bộ phận quản lý chất lượng và cải tiến liên tục: Các chuyên gia trong lĩnh vực này có thể áp dụng các kết quả và phương pháp nghiên cứu để xây dựng bộ công cụ giải quyết vấn đề hiệu quả, đặc biệt trong bối cảnh biến động chuỗi cung ứng.

  4. Nhà cung cấp nguyên liệu và logistics: Hiểu rõ tác động của thời gian vận chuyển đến chất lượng sản phẩm giúp họ phối hợp tốt hơn với nhà máy, từ đó cải thiện quy trình cung ứng và giảm thiểu rủi ro.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phương pháp 8D không hiệu quả trong trường hợp này?
    Phương pháp 8D chủ yếu dựa trên so sánh và tìm nguyên nhân dựa trên các dữ liệu lịch sử hoặc các trường hợp tương tự. Trong khi đó, vấn đề tại Nhà máy B là mới và phức tạp do ảnh hưởng của COVID-19, không có chuẩn so sánh trước đó. Thiết kế thực nghiệm cho phép lượng hóa ảnh hưởng của các biến và tìm ra bộ thông số tối ưu trong điều kiện mới.

  2. Thiết kế thực nghiệm Taguchi và Response Surface khác nhau như thế nào?
    Taguchi là phương pháp sàng lọc giúp xác định các biến quan trọng và giảm số lượng biến cần nghiên cứu sâu. Response Surface là phương pháp tối ưu hóa đa biến, xây dựng mô hình toán học để tìm giá trị tối ưu của các biến đã được chọn lọc.

  3. Làm thế nào để đảm bảo kết quả thiết kế thực nghiệm chính xác?
    Kết quả được đảm bảo bằng cách thực hiện nhiều lượt chạy thử nghiệm (replication), đo lường mẫu lớn (ví dụ 25 mẫu mỗi lượt), sử dụng phần mềm phân tích thống kê chuyên dụng và kiểm định các chỉ số như P-value, CpK để đánh giá độ tin cậy.

  4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các nhà máy khác không?
    Phương pháp và quy trình nghiên cứu có thể áp dụng rộng rãi cho các nhà máy sản xuất thép hoặc các ngành công nghiệp có quy trình tương tự. Tuy nhiên, các thông số tối ưu cần được điều chỉnh phù hợp với điều kiện cụ thể của từng nhà máy.

  5. Chi phí và thời gian thực hiện thiết kế thực nghiệm có cao không?
    Mặc dù thiết kế thực nghiệm đòi hỏi chi phí và thời gian cho các lượt thử nghiệm, nhưng so với chi phí do phế phẩm và nhập khẩu bù đắp, lợi ích kinh tế mang lại là rất lớn. Trong nghiên cứu này, chỉ sau 2 tháng áp dụng, nhà máy đã tiết kiệm hàng chục nghìn đô la Mỹ.

Kết luận

  • Thiết kế thực nghiệm Taguchi và Response Surface là công cụ hiệu quả để giải quyết vấn đề chất lượng phức tạp trong sản xuất, đặc biệt trong bối cảnh biến động chuỗi cung ứng do COVID-19.
  • Thời gian vận chuyển nguyên liệu kéo dài là nguyên nhân chính làm tăng tỷ lệ lỗi lớp thấm Ni tơ tại Nhà máy B.
  • Việc tối ưu hóa các thông số lò thấm Ni tơ dựa trên mô hình thiết kế thực nghiệm giúp giảm tỷ lệ phế phẩm từ gần 6% xuống còn khoảng 2%, nâng cao độ ổn định quy trình với CpK ≥ 1.
  • Nghiên cứu góp phần xây dựng bộ công cụ giải quyết vấn đề tiên tiến, phù hợp với điều kiện sản xuất hiện đại và biến động khó lường.
  • Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi thiết kế thực nghiệm trong các nhà máy sản xuất, đồng thời phối hợp chặt chẽ với nhà cung cấp và logistics để giảm thiểu thời gian vận chuyển nguyên liệu.

Hành động tiếp theo: Nhà máy B cần triển khai đào tạo nhân sự về thiết kế thực nghiệm, áp dụng các giải pháp tối ưu hóa quy trình và tiếp tục theo dõi, điều chỉnh để duy trì chất lượng sản phẩm ổn định. Các đơn vị sản xuất khác cũng nên nghiên cứu áp dụng phương pháp này để nâng cao hiệu quả sản xuất.

Hãy bắt đầu áp dụng thiết kế thực nghiệm ngay hôm nay để nâng cao chất lượng và giảm chi phí sản xuất!