Vào thời điểm ban đầu khi việc cắt kim loại bắt đầu trở nên phổ biến, mọi thứ chủ yếu dựa vào các máy tiện thủ công do những thợ cơ khí giàu kinh nghiệm điều khiển – những người đã dành nhiều năm để rèn luyện nghề nghiệp của mình. Toàn bộ quy trình lúc đó đòi hỏi sự can thiệp trực tiếp của con người và thực sự dễ xảy ra sai sót vì mọi thứ đều phụ thuộc vào kỹ năng cá nhân. Mọi thứ thay đổi rõ rệt vào những năm 1940 với sự ra đời của công nghệ Điều Khiển Số (Numerical Control), mang theo những tấm thẻ đục lỗ (punch cards) dùng để lập trình máy móc – về cơ bản đây là hình thức tự động hóa đầu tiên mà mọi người từng thấy lúc bấy giờ. Đến những năm 1970, các bộ vi xử lý đã hoàn toàn cách mạng hóa những điều khả thi. Đột nhiên chúng ta chứng kiến sự ra đời của các hệ thống Điều Khiển Số Dùng Máy Tính (Computer Numerical Control systems), hay còn gọi là CNC như ngày nay thường biết đến. Các hệ thống mới này có khả năng xử lý những hình dạng và đường cắt vô cùng phức tạp với độ chính xác đáng kinh ngạc mà trước đây không thể thực hiện được. Các nhà sản xuất gần như lập tức nhận thấy những cải tiến rõ rệt, với một số xưởng sản xuất báo cáo thời gian chế tạo giảm tới khoảng hai phần ba so với các phương pháp cũ, bên cạnh sự nhất quán cao hơn rất nhiều giữa các lô sản phẩm.
Một số đột phá quan trọng có thể kể đến là chiếc máy Whirlwind được phát triển tại MIT vào năm 1952, được xem là hệ thống NC thực thụ đầu tiên, và sau đó là bước tiến lớn vào năm 1976 khi phần mềm CAD/CAM ra đời, giúp việc chuyển từ thiết kế sang sản xuất trở nên dễ dàng hơn rất nhiều. Đến những năm 90, các máy CNC nhiều trục bắt đầu xuất hiện. Những chiếc máy này có khả năng gia công những chi tiết phức tạp dùng trong ngành hàng không vũ trụ chỉ trong một lần gá, giúp tiết kiệm thời gian và giảm lỗi phát sinh. Trở lại hiện tại, các hệ thống CNC 5 trục hiện đại có thể đạt độ chính xác lên đến mức cộng trừ 0.001 mm. Con số này thực tế còn vượt trội gấp mười lăm lần so với khả năng đạt được vào những năm 80, khiến các quy trình sản xuất trở nên chính xác và hiệu quả hơn rất nhiều trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Công nghệ Điều khiển Số bằng Máy tính (CNC) về cơ bản đã thay thế các phương pháp điều chỉnh đường chạy công cụ thủ công trước đây, mang lại một thứ gọi là độ chính xác thuật toán. Điều này đã cho phép các nhà máy vận hành không ngừng và sản xuất các bộ phận cực kỳ chính xác như các cánh tuabin cho động cơ phản lực và các thiết bị cấy ghép y tế phức tạp cần vừa khít bên trong cơ thể con người. Các công ty ô tô báo cáo rằng hiện nay họ có thể sản xuất khối động cơ nhanh gấp khoảng hai lần khi sử dụng máy phay CNC thay vì quay lại các máy tiện cổ điển từ vài thập kỷ trước. Tuy nhiên, thay đổi thực sự lại đến từ các tính năng như bộ thay dao tự động và hệ thống làm mát tích hợp sẵn có trong hầu hết các xưởng sản xuất hiện đại ngày nay. Những cải tiến này đồng nghĩa với việc sai sót trong quá trình gia công đã giảm đáng kể, khoảng 90 phần trăm trong các lĩnh vực mà các phép đo chính xác là quan trọng nhất, đặc biệt là trong sản xuất hàng không vũ trụ và chế tạo răng giả.
Các hệ thống CNC nhiều trục hiện đại có thể đạt độ chính xác khoảng 0,005 mm, điều này mở ra khả năng sản xuất các hình dạng phức tạp trước đây đòi hỏi công nghệ in 3D. Sự khác biệt giữa các máy 3 trục tiêu chuẩn và các hệ thống tiên tiến 5 trục này khá rõ rệt. Với sự kết hợp làm việc cùng lúc của năm trục (X, Y, Z và thêm khả năng xoay trên hai trục A và B), không còn cần phải dừng máy và điều chỉnh thủ công các chi tiết trong quá trình gia công. Thời gian chuẩn bị cũng giảm đáng kể — nhiều xưởng sản xuất cho biết họ đã giảm được gần hai phần ba thời gian chuẩn bị khi sản xuất các bộ phận như cánh tuabin cho động cơ máy bay hoặc các dụng cụ cấy ghép tùy chỉnh dùng trong phẫu thuật chỉnh hình.
Theo nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature năm ngoái, các máy CNC 5 trục có thể giảm thời gian sản xuất khoảng bốn mươi phần trăm khi gia công các bộ phận làm bằng titan khó cắt được sử dụng trong ngành sản xuất máy bay, so với các hệ thống truyền thống 3 trục. Điều thực sự ấn tượng là khả năng vận hành ở tốc độ cao của những máy này. Một số mẫu có thể quay dụng cụ cắt ở tốc độ lên đến năm mươi nghìn vòng mỗi phút và vẫn duy trì được độ chính xác kích thước trong phạm vi năm micron hoặc nhỏ hơn, ngay cả khi di chuyển qua thép tôi ở tốc độ đáng kinh ngạc là một nghìn năm trăm mét mỗi phút. Hiệu suất như vậy tạo ra sự khác biệt lớn trong việc chế tạo vỏ động cơ xe điện, đặc biệt vì các nhà sản xuất cần phải làm việc với những thành phần bằng nhôm mỏng manh vốn hoàn toàn không thể chịu được bất kỳ sự rung động nào trong quá trình gia công.
Ba cải tiến đang thúc đẩy công nghệ dụng cụ CNC phát triển:
Khi kết hợp với hệ thống điều khiển thích nghi, các dụng cụ này hỗ trợ quá trình sản xuất liên tục trong 72 giờ tại ngành gia công khuôn mẫu trong khi vẫn duy trì dung sai ±0,0025 mm.
Các hệ thống CNC hiện đại tích hợp các nguyên lý của Công nghiệp 4.0, kết hợp kết nối IoT với ra quyết định được hỗ trợ bởi AI. Một nền tảng được tăng cường AI từ nhà cung cấp tự động hóa hàng đầu cho phép tích hợp robot mượt mà thông qua xử lý dữ liệu thời gian thực, giảm 60% sự can thiệp thủ công và cải thiện độ đồng nhất trong các quá trình cắt kim loại.
Các cảm biến IoT tích hợp trong máy CNC giám sát độ rung, nhiệt độ và mài mòn dụng cụ, truyền dữ liệu đến các bảng điều khiển tập trung. Các hệ thống này giảm 30% thời gian dừng máy ngoài kế hoạch thông qua cảnh báo dự đoán. Ví dụ, trong quá trình gia công titan, các dao động nhiệt độ sẽ kích hoạt điều chỉnh tự động lượng dung dịch làm mát trong vòng 0,5 giây, giúp duy trì độ ổn định về kích thước.
Các nền tảng phân tích tiên tiến xử lý lượng lớn dữ liệu vận hành để dự báo nhu cầu bảo trì. Các thuật toán dự đoán giảm 45% thời gian dừng máy so với bảo trì định kỳ truyền thống và kéo dài tuổi thọ dụng cụ thêm 22% trong môi trường sản lượng cao nhờ chu kỳ thay thế được tối ưu.
Các mô hình học sâu phân tích dữ liệu gia công lịch sử để tạo ra các đường chạy dao hiệu quả, giảm thiểu lãng phí vật liệu. Một nhà sản xuất ô tô đã đạt được thời gian chu kỳ nhanh hơn 18% cho các bộ phận động cơ bằng nhôm sau khi triển khai giải pháp điều chỉnh đường chạy dao thích ứng.
Hệ thống thị giác máy tính được hỗ trợ bởi mạng nơ-ron thần kinh kiểm tra các bộ phận đã gia công với độ chính xác ở cấp độ micrôn. Theo Diễn đàn Kinh tế Thế giới, các hệ thống kiểm tra chất lượng sử dụng AI có thể phát hiện 98% các lỗi bề mặt trên các bộ phận hàng không vũ trụ, giảm 75% công việc sửa chữa sau xử lý.
Các hệ thống CNC tự tối ưu hóa sẽ điều chỉnh các thông số cắt trong quá trình vận hành dựa trên phản hồi từ cảm biến. Trong gia công thép không gỉ, hệ thống điều khiển vòng kín duy trì dung sai ±0.001" bất chấp sự biến động về độ cứng vật liệu, đạt tỷ lệ sản phẩm đạt lần đầu là 99,8%.
Trong lĩnh vực sản xuất hàng không, công nghệ CNC đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo các bộ phận phức tạp trên động cơ phản lực và tua-bin, nơi đòi hỏi độ chính xác đến từng micrôn. Hầu hết các xưởng sản xuất trong lĩnh vực này hiện nay đều phụ thuộc rất nhiều vào máy CNC 5 trục để chế tạo các bộ phận quan trọng đảm bảo vượt qua các cuộc kiểm định của FAA và đáp ứng các yêu cầu chất lượng AS9100. Khoảng ba phần tư các công ty hàng không đã chuyển sang sử dụng các hệ thống tiên tiến này. Điều gì khiến việc này trở nên quan trọng như vậy? Bởi vì các thiết kế máy bay hiện đại đòi hỏi việc gia công các vật liệu cứng như titan và Inconel với dung sai cực kỳ chặt chẽ, đạt mức ±0.0001 inch. Mức độ chính xác này không chỉ đơn thuần là đáp ứng thông số kỹ thuật, mà còn giúp máy bay tiết kiệm nhiên liệu hơn, điều ngày càng quan trọng khi các hãng hàng không tìm kiếm các giải pháp để giảm chi phí và hạn chế tác động môi trường.
Các nhà sản xuất ô tô sử dụng hệ thống CNC tốc độ cao để sản xuất hàng loạt các bộ phận như khối động cơ, vỏ hộp số và linh kiện pin xe điện (EV) với tốc độ hơn 500 chi tiết mỗi giờ, đảm bảo độ chính xác về kích thước lên đến 99,98%. Việc mở rộng quy mô này giúp giảm 40% chi phí làm mẫu trong khi vẫn đáp ứng được nhu cầu tùy chỉnh theo từng khu vực.
Máy điều khiển số bằng máy tính (CNC) có khả năng sản xuất các dụng cụ phẫu thuật và bộ phận cấy ghép được phê duyệt bởi FDA, trong đó các chi tiết có thể nhỏ tới mức 0,002 inch, thực tế còn mỏng hơn cả những sợi tóc người thông thường mà chúng ta nhìn thấy. Những máy tiện CNC kiểu Thụy Sĩ chuyên dụng này đã gần như trở thành thiết bị tiêu chuẩn trong toàn bộ ngành công nghiệp thiết bị y tế trị giá 456 tỷ USD này. Chúng tạo ra những kỳ tích khi biến đổi các vật liệu tương thích sinh học như hợp kim cobalt-chrome và polymer PEEK thành các sản phẩm như stent tim dùng cho mạch máu hay các khớp thay thế cho hông và đầu gối. Và còn một điều nữa đang diễn ra - ngày nay các nhà sản xuất đang áp dụng các phương pháp hoàn thiện ở cấp độ nano, về cơ bản là loại bỏ những khiếm khuyết bề mặt cực nhỏ ở cấp độ vi mô. Tại sao việc này lại quan trọng? Bởi vì ngay cả những khuyết tật nhỏ nhất cũng có thể tiềm ẩn nguy cơ gây ra vấn đề sau phẫu thuật khi các vật thể lạ được đặt bên trong cơ thể người.
Một nhà cung cấp hàng không hàng đầu đã giảm 62% thời gian gia công đĩa tuabin titan bằng cách sử dụng máy CNC 9 trục với thuật toán đường chạy dao thích ứng. Bằng cách tích hợp hệ thống robot xử lý phôi và quét laser trong quá trình gia công, hệ thống đã đạt được:
| Đường mét | Cải thiện |
|---|---|
| Chất thải vật liệu | 34% gãy rụng |
| Độ đồng nhất bề mặt hoàn thiện | Ra 0,2 μm |
| Thời gian chờ sản xuất | 19 ngày 7 ngày |
Nghiên cứu này chứng minh cách các hệ thống CNC nhiều trục vượt qua các thách thức từ vật liệu đặc biệt trong khi đáp ứng yêu cầu không có lỗi của ngành hàng không.
Tương lai của CNC nằm ở việc tích hợp robot, với các hệ thống thay pallet thông minh cho phép vận hành không người lên đến 95%. Các nhà sản xuất hàng đầu báo cáo tăng 40% năng suất trong sản xuất cánh tuabin khi sử dụng cụm CNC robot tự tối ưu hóa đường chạy dao theo thời gian thực.
Ngành công nghiệp đang thúc đẩy tính bền vững thông qua các trục chính tiết kiệm điện tiêu thụ ít hơn 30% năng lượng so với các mẫu thông thường. Các hệ thống thu hồi phoi kim loại tiên tiến tái chế 98% lượng phế liệu kim loại, trong khi công nghệ bôi trơn lượng tối thiểu giúp giảm 75% lượng chất làm mát—đặc biệt hữu ích trong sản xuất thiết bị y tế chính xác.
Nhu cầu về gia công CNC dự báo sẽ tăng trưởng với tốc độ 5% mỗi năm (CAGR) cho đến năm 2030, được thúc đẩy bởi các ngành hàng không vũ trụ và phương tiện điện cần các bộ phận phức tạp và nhẹ. Thị trường dự kiến sẽ đạt mức 126 tỷ USD, trong đó khu vực Châu Á - Thái Bình Dương chiếm 45% tổng số máy lắp đặt mới.
EN
