Công nghệ sản xuất: Từ đẽo dần sang đắp dần.

Phần 1

Tuần báo The Economist số ngày 12-2-2011 có giới thiệu một công nghệ sản xuất mới mà họ bảo “sẽ thay đổi thế giới” gọi là “additive manufacturing”, viết tắt là AM, hay còn gọi là 3D printing. Dịch sang tiếng Việt là “công nghệ đắp dần, hay sản xuất đắp dần”.

Tờ báo trên nhận xét: “Cũng như không ai có thể tiên đoán tác động của đầu máy hơi nước năm 1750, máy in năm 1850, hoặc transistor năm 1950, thì cũng không thể tiên đoán được tác động lâu dài của công nghệ này. Nhưng nó đang đến từ từ, và có thể làm thay đổi mọi lãnh vực mà nó chạm đến”.

Trong khi chúng ta đang bàn về công nghiệp hỗ trợ, về sản xuất vật liệu mới... thì sự phát triển của công nghệ đắp dần buộc chúng ta phải hỏi: Có nên tiếp tục công việc chúng ta đang làm không? Nên đi theo hướng nào? Để có câu trả lời tôi xin trình bày sơ lược về công nghệ này và về triển vọng của nó. Phần đầu là sự trình bày của một người không chuyên, tự tìm hiểu về nguyên lý; phần sau được lấy từ bài báo nêu trên.

Sơ lược về công nghệ đắp dần

Từ trước đến nay, để chế tạo một sản phẩm nào đó người ta làm bằng cách đẽo dần. Việc này giống như ngày còn bé ta làm thủ công. Muốn nặn một con chim bằng đất sét, mình lấy một cục đất, nắn sơ nó thành hình con chim, sau đó lấy tay véo dần đất ra, cầm dao gọt dần dần cho đến khi có con chim đem nộp. Một nhà điêu khắc tạc tượng bằng thạch cao cũng làm như thế. Từ một cục to, đẽo bớt, gọt đi, cho nó nhỏ dần thành hình. Còn trong sản xuất người ta lấy một thỏi kim loại, tiện, khoan, dập... để tạo thành một sản phẩm. Đẽo dần là như thế, từ lớn làm cho nhỏ đi đến khi thành hình. Đắp dần là làm ngược lại, từ nhỏ làm cho lớn lên thành hình. Nó là công nghệ mới có gần đây và phải sử dụng một kỹ thuật khác tồn tại trước nó.

Kỹ thuật này là thiết kế đồ họa ba chiều (3D design) xuất hiện từ đầu những năm 1990. Nó là một sự phát triển cao hơn của phần mềm “computer-aided design” (CAD) ra đời vào những năm đầu 1980. Và cả hai đều dựa vào máy tính. Nhờ CAD, người ta vẽ dụng cụ, nhà cửa, bằng máy tính. Có CAD, các kiến trúc sư và họa viên không phải vẽ tay bằng compa, bút mực và thước kẻ nữa.

Lúc đầu, CAD cho ra những hình ảnh có hai chiều, giống như một bức ảnh vậy. Phát triển hơn lên thì nó tạo ra thiết kế ba chiều (3D design); tức là có chiều cao thêm vào chiều dài và rộng. Phim Avatar là một thí dụ về hình ảnh ba chiều. Để có ảnh này người ta chồng các ảnh hai chiều lên nhau; giống như ta chồng các viên gạch hoa lên nhau vậy. CAD cũng làm như thế và làm rất nhanh. Khi xếp chồng gạch lên nhau, từng viên một, ta sẽ có một cái cột gạch. Nếu lấy các cục gạch tròn có lỗ to ở giữa (hình vành khăn) và xếp chồng lên nhau ta sẽ có một cái ống! Trong chuyên môn, người ta nói cái cột gạch được “cắt lớp”, và mỗi viên là một “lát”. Vậy một cái cột gạch thì có nhiều lát.

Chẩn đoán y khoa bằng hình ảnh áp dụng cách này. Thí dụ, máy soi cắt lớp CT (computer tomography scanner) khi chiếu vào lá gan của ta nó sẽ cắt gan ra thành rất nhiều lát mỏng chiếu lên màn hình; nhờ đó bác sĩ biết bệnh trạng của lá gan. 3D design nằm trong máy tính cho ra các hình ảnh ba chiều giống như thế.

Đi lên một bước nữa, nếu có một cái máy nào đó tạo ra một món đồ theo từng lát như đã được sắp xếp trong 3D design thì nó chế tạo ra một sản phẩm theo cách đắp dần. Đó là máy chế tạo 3D printer, còn được gọi là “fabricator” hoặc “faber”. Vì có từ “print” nên trong tiếng Anh khi nói ấn nút print thì đối với máy 3D printer đó là ra lệnh cho máy chạy để làm ra sản phẩm.

Xem trong các clip ở YouTube, 3D printer có kích thước và hình dáng giống như một máy giặt 7-8 ki lô gam, hay máy photocopy lớn hoặc tủ lạnh 500 lít. Cách nó chế tạo ra một sản phẩm như sau. Các lát của sản phẩm liên quan đã định dạng theo hình, theo mẫu ba chiều trong CAD của máy tính được chuyển sang 3D printer. Trong máy bột nguyên liệu (plastic, kim loại...) được một cái vòi phun xuống một cái khay chứa, sau đó lớp bột được làm cho cứng lại, bằng cách phun lên đó một chất lỏng kết dính, hay chiếu vào tia laser hoặc tia điện tử để bột kết tủa lại theo mẫu đã thiết kế. Mỗi lát làm xong sẽ được máy hạ xuống thấp, theo một khoảng cách rất nhỏ, tính bằng phần trăm của 1 mi li mét.

Xong xuôi, máy làm lát khác chồng lên lát trước, cứ như thế hàng ngàn lát được chồng lên nhau và sản phẩm được tạo ra. Có một loại máy khác phun các lớp plastic nóng chảy vào khay để tạo nên các lát mỏng theo mẫu. Xem video, các bộ phận trong máy chạy đi, chạy lại giống như cái đèn xanh lá cây trong máy photocopy. Đồ vật làm ra có thể là một linh kiện của xe hơi, một cái chụp đèn hay một cái đàn violon.

Cái hay của công nghệ này là không cần phải có nhà xưởng. 3D printer có thể đặt trên bàn, ở một góc phòng, trong tiệm, hay ở nhà nếu làm các món nhỏ. Với các món lớn hơn, khung xe đạp, cửa xe hơi, các bộ phận cho máy bay thì mới cần nhiều chỗ hơn hay phải có các máy lớn hơn. Ở Anh, Mỹ, Úc, Israel các kỹ sư và các nhà thiết kế dùng 3D printer hơn 10 năm nay trong một số trung tâm nghiên cứu hay tại một số công ty sản xuất công cụ chuyên biệt, chủ yếu để làm ra các sản phẩm dùng làm mẫu cho nhanh và tiết kiệm tiền trước khi mua máy móc lập xưởng chế tạo hàng thật. Hiện nay, với công nghệ này, người ta chỉ mới sử dụng được một số nguyên liệu là plastic, nhựa công nghiệp và thép. Chiều dày của mỗi lát sản phẩm là 1/10 của một milimét.

Dù cho đến gần đây công nghệ AM này chưa được phổ biến nhiều; nhưng cũng giống như máy điện toán ngày xưa, vào cuối những năm 1970, AM đang mở rộng nhiều vì kỹ thuật tiến triển và chi phí đang giảm. Một “faber” cơ bản, bây giờ rẻ hơn một máy in laser năm 1985. Với máy đó, việc sản xuất sẽ chỉ còn là ấn nút “print”!

Ở ta, một chủ nhân của một công ty sản xuất cho biết việc chế tạo nguyên mẫu theo 3D design đã có khoảng sáu bảy năm nay, máy sử dụng là máy làm khuôn dùng plastic và phải mất nhiều chi phí khi làm hàng mẫu. Hàng này được dùng để xác định hiệu quả của một sản phẩm mới. Thí dụ doanh nghiệp muốn tung ra một loại bút mới, họ phải xem kiểu dáng đẹp không, viết dễ không, màu sắc hấp dẫn không... muốn vậy phải chế sản phẩm mẫu.

Nếu thử mà thấy chưa ưng ý thì họ sẽ thiết kế lại nguyên mẫu ấy trong CAD ba chiều để làm ra một mẫu khác. Khi mẫu được rồi, họ thuê vẽ bản thiết kế chi tiết để làm khuôn. Bản vẽ sau cũng đắt và khó làm hơn bản thiết kế ba chiều; vì phải chia cây bút ra những phần khác nhau để chế ra khuôn đúc. Có khuôn rồi thì mới đổ nhựa để làm ra cây bút. Như thế là có năm giai đoạn để sản xuất ra một cây bút theo cách làm hiện nay: nghĩ kiểu - vẽ đồ họa ba chiều của cây bút - làm ra nguyên mẫu - vẽ thiết kế để chế tạo khuôn - làm khuôn để sản xuất. Tùy từng loại sản phẩm đúc từ khuôn ra, có loại chỉ có một bộ phận trọn vẹn, có loại có nhiều bộ phận. Đối với loại sau doanh nghiệp phải tổ chức lắp ráp theo dây chuyền. Cách lắp ráp này đã tạo nên sản xuất hàng loạt (mass production). Tuy nhiên khách hàng thì lại đòi cái khác: không đụng hàng cơ!

Phần 2

Trong những năm gần đây, sau trào lưu cạnh tranh bằng chăm sóc hậu mãi, các hãng sản xuất tìm cách vượt nhau bằng cách “sản xuất đúng ý mỗi người”, giống như áo sơ mi được đo cho từng người một vậy.

Tác động trong tương lai

Thách thức của các nhà sản xuất về lâu về dài là “sản xuất hàng loạt” (mass production) để giá thành rẻ; nhưng lại phải “đúng ý từng người” (mass customization)! Như đã đề cập, cho đến gần đây 3D printer chỉ được dùng để chế tạo sản phẩm mẫu và chủ yếu trong ngành không gian, y khoa và máy móc tự động. Ở các ngành khác, sản phẩm mẫu được làm từ các máy đúc khuôn sử dụng plastic (plastic injection moulding) và thường có một dây chuyền sản xuất. Trong hãng Filton, ở bên Anh nơi lắp ráp máy bay Concorde, họ đã chế tạo được khung gá cho chân đáp hạ cánh của máy bay bằng công nghệ đắp dần.

Cứ từng lát một, 3D printer làm ra cái khung gá phức tạp, với nguyên liệu là titanium. Trước kia người ta phải tiện một thỏi sắt để làm khung gá này. Nay người ta dùng composit sợi cacbon để thay cho titanium. Vì thế họ còn định làm cánh máy bay bằng cách đắp dần. Trong máy bay nếu nó nhẹ đi được 1 ki lô gam thì sẽ tiết kiệm được 3.000 đô la Mỹ tiền nhiên liệu mỗi năm.

Một hãng của Đức, là EOS, cung cấp các linh kiện bằng plastic hay sắt cho các hãng chế tạo xe hơi, hàng không và hàng tiêu dùng. Họ cũng được nha sĩ thuê làm vành răng, từng cái một đúng y với chiếc răng bị sâu của mỗi bệnh nhân. Một máy 3D printer có thể làm được 400 cái vành răng mỗi ngày. Để tập dượt, EOS cũng sản xuất các bộ phận của một cây đàn vĩ cầm bằng nhựa polymer công nghiệp, sau đó nhờ một người chuyên môn sản xuất chỉnh trang lại và để một nhạc sĩ violon chơi thử.

Sử dụng công nghệ đắp dần để làm ra các linh kiện bằng plastic hay sắt thì có lợi rất nhiều so với cách sản xuất thông thường. Nó làm giảm chi phí vì bỏ được dây chuyền sản xuất; nó cũng giảm thiểu phế phẩm đi rất nhiều vì chỉ cần bột của nguyên liệu, cần tới đâu lấy tới đấy, số lượng nguyên liệu đòi hỏi chỉ bằng một phần mười so với trước kia.

Công nghệ này còn có thể làm ra các bộ phận có hình dạng mà cách chế tạo thông thường khó lòng làm được. Kết quả là có nhiều loại hàng mới được thiết kế và hiệu quả sử dụng cao hơn trước nhiều, thí dụ cánh máy bay, hay máy trao đổi nhiệt. Cuối cùng, nó không chỉ làm ra từng sản phẩm một, riêng rẽ, nhanh chóng với giá rẻ; mà lại còn có thể sửa đổi cái sau cho khác với cái trước bằng cách chỉnh bản thiết kế ba chiều trong máy tính.

Với các lợi điểm như thế, công nghệ đắp dần có cạnh tranh được với kỹ thuật sản xuất hàng loạt đã có hàng thế kỷ rồi không? Thực ra, kỹ thuật nào đã ổn định thì khó có thể bị quét sạch; nhưng chắc chắn các xưởng máy trong tương lai sẽ có các 3D printer hoạt động bên cạnh máy cán, máy ép, lò đúc, cùng các máy làm khuôn sử dụng plastic và 3D printer sẽ lấy đi một số lớn công việc của các máy vừa kể. Như thế, cách sản xuất hàng loạt sẽ phải nhường chỗ cho sản xuất theo ý từng người, từ giày dép, kính đeo mắt đến dụng cụ nhà bếp.

Hãng Morris Technologies, ở Mỹ, là một trong những công ty đầu tiên đầu tư nhiều vào công nghệ đắp dần cho các dịch vụ kỹ thuật và sản xuất. Ý định đầu tiên của họ là làm ra hàng mẫu nhanh chóng. Nhưng đến 2007 nhận ra “một kỹ nghệ mới đang hình thành”, họ bèn lập một hãng khác lấy tên là Rapid Quality Manufacturing, để tập trung vào công nghệ đắp dần hầu sản xuất nhiều linh kiện hơn.

Họ cho biết linh kiện kim loại nhỏ và trung bình có thể được làm ra trong vòng vài giờ hay vài ngày từ phần mềm 3D design và máy 3D printer; trong khi trước kia theo cách sản xuất thông thường phải mất hàng tuần. Các máy 3D printer có thể chạy suốt ngày không cần ai trông. Và chắc chắn công nghệ đắp dần sẽ cạnh tranh với sản xuất hàng loạt trong nhiều lĩnh vực.

Vậy thì công nghệ này sẽ được đưa vào nền sản xuất chung như thế nào? Điều rõ ràng nhất là nó sẽ giúp chế ra các món đồ đúng ý người mua. Nếu một công ty cần một linh kiện đặc biệt nào đó, họ sẽ thấy rằng đi thuê làm theo cách đắp dần tại địa phương của mình hay làm lấy, thì sản phẩm sẽ rẻ đi và có trong tay nhanh hơn so với khi đặt hàng tại một nhà sản xuất ở xa.

Một khía cạnh hào hứng của công nghệ mới này là làm giảm chi phí thành lập doanh nghiệp. Thay vì kiếm tiền để lập xưởng hay thuê một nhà sản xuất hàng loạt tại xứ mình hay ở nước khác chế tạo cho mình một món gì đó, thì một cái máy 3D printer sẽ giúp doanh nhân khởi nghiệp đi vào thị trường rẻ hơn và ít rủi ro hơn. Người ấy có thể chế ra một hai món nguyên mẫu bằng máy 3D printer để xem ý tưởng của mình có thực tế không. Sau đó làm thêm vài cái đem bán để biết hàng bán có chạy không, cuối cùng thay đổi kiểu mẫu món hàng theo gợi ý của khách hàng. Nếu hàng bán chạy, họ có thể gia tăng số lượng bằng cách sản xuất hàng loạt theo cách cũ hay cho sản xuất bằng nhiều máy 3D printer.

Vì làm giảm rào cản đi vào sản xuất, công nghệ đắp dần sẽ thúc đẩy sáng tạo. Đây sẽ là một lợi thế cho những nhà sáng chế ngoài những người khởi nghiệp; bởi vì việc thử nghiệm sản phẩm mới thì ít rủi ro và bớt tốn kém hơn. Rồi cũng giống như các lập trình viên chia sẻ mã nguồn, bằng cách dùng mã nguồn mở, để cộng tác với nhau; các kỹ sư trong ngành sản xuất đã bắt đầu hợp tác với nhau về mã nguồn thiết kế mở dùng cho các vật dụng và hàng kim khí.

Sự thay đổi sâu rộng về công nghệ sẽ làm cho nền sản xuất bị sắp xếp lại. Ở đây có hai cách nhìn. Một số người cho rằng nó sẽ làm cho việc kinh doanh bị phân tán ra, làm đảo ngược sự tập trung về thành thị (đô thị hóa) đã diễn ra cùng với quá trình công nghiệp hóa. Tiếp theo, nhà xưởng sẽ không còn cần thiết nữa khi mà mỗi làng đều có máy 3D printer và có thể làm ra các món hàng khi cần.

Những người khác cho rằng, vì làm giảm nhu cầu lao động, công nghệ đắp dần sẽ làm mất lợi thế của lao động rẻ, hay của các quốc gia có mức chi phí lao động thấp; do đó sẽ có khả năng là việc sản xuất sẽ quay trở về các nước giàu có. Người ta sẽ sản xuất ở quê nhà mà không đưa nó ra nước ngoài nữa. Tuy nhiên, nếu công nghệ đắp dần có đem sản xuất trở lại các nước phát triển, thì nó lại không tạo ra nhiều công ăn việc làm ở đó; vì nó đòi hỏi ít nhân công hơn so với cách sản xuất thông thường.

Công nghệ này cũng có những hệ lụy không chỉ cho việc phân phối vốn liếng và việc làm, mà còn tác động đến luật lệ về sở hữu trí tuệ. Khi một sản phẩm nào đó có thể mô tả được trong các hồ sơ ở dạng số (digital), thì chúng sẽ dễ bị sao chụp và phân tán. Tức là bị ăn cướp bản quyền y như ngành âm nhạc vậy. Khi các bản thiết kế chi tiết của đồ chơi trẻ con, hay bản vẽ của một đôi giày, thoát lên internet, thì nguy cơ chủ nhân mất chúng sẽ rất cao.

Tờ The Economist có gợi ý là các công ty, chính quyền và doanh nhân nên bắt đầu suy nghĩ về công nghệ này ngay từ bây giờ. Lợi thế tương đối trên bình diện quôc tế sẽ không còn kéo dài. Có nhà sản xuất sẽ lời, người khác lỗ; nhưng giống như các cuộc cách mạng công nghiệp đã xảy ra, khách hàng sẽ là người hưởng lợi nhiều nhất. Và dù ai là người được hưởng lợi thì công nghệ này cũng sẽ là một cuộc cách mạng.

Vậy đối với chúng ta ảo vọng “đi tắt đón đầu” sẽ ra sao? Có nên cố gắng chạy theo sản xuất hàng hóa theo cách thông thường, rồi cấu trúc nền kinh tế theo sau cho phù hợp không? Cách ấy có sẽ bị công nghệ đắp dần ở các nước khác loại bỏ vì ít hiệu quả kinh tế không? Nên chăng chúng ta tập trung vào sản xuất và chế biến nông nghiệp cùng khai thác biển? Cái sau đã là chủ trương rõ ràng, nhưng cái trước còn loạng choạng, dù đã bàn đến... ba nông và bốn nhà.

Nguyễn Ngọc Bích (http://www.thesaigontimes.vn)