Mang Đến Sức Mạnh cho Báo Cáo trong Tương Lai: Công Nghệ Nổi bật và Nhà Máy trong Tương Lai

2015 tháng hai 04, 09:00 CEST

TÁC GIẢ: Giáo Sư Peter J Dobson OBE, The Queen’s College, Oxford and Warwick Manufacturing Group, Đại Học Warwick.

Hai thập niên qua, thế giới sản xuất đã chứng kiến những thay đổi đáng kể, với những năm tháng của các nhà máy ồn ào, bẩn thỉu dựa trên những công cụ và thực hành lao động lạc hậu đã được gói gọn vào trong những cuốn sách lịch sử. Ngay cả trong các trường hợp sản xuất kỹ thuật quy mô lớn, nơi làm việc đã trở nên sạch hơn và được tổ chức tốt hơn nhiều. Những thay đổi này phần lớn là do những cải tiến về hiệu quả, hàng hóa chất lượng cao hơn và các biện pháp cắt giảm chi phí.

Câu hỏi đặt ra bây giờ là: Những công nghệ mới nổi và những tiến bộ của công nghệ truyền thống sẽ thay đổi hình thức và tổ chức tương lai của nhà máy như thế nào? Với việc sử dụng rộng rãi công nghệ thông tin và truyền thông (ICT) mà đang tạo ra sự kết hợp đa dạng các công nghệ và ứng dụng, thái độ đối với sản xuất cũng đang thay đổi, bao gồm cả cách phát triển và đào tạo lực lượng lao động trong tương lai.

Các công nghệ Mới và Nổi bật :

Không thể không nhận thấy sự tăng tầm quan trọng và sự tinh vi của ICT ở khắp mọi nơi. Có thể theo dõi và kiểm soát các quy trình. Giờ đây có thể theo dõi hàng tồn kho của cả đầu vào và đầu ra của một quy trình sản xuất và có thể sử dụng dữ liệu để tối đa hóa hiệu quả. Tình trạng của các máy móc sử dụng trong nhà máy có thể được theo dõi một cách liên tục và điều này có thể, và sẽ, có tác dụng lớn đối với việc giảm chi phí bảo trì và thời gian ngừng làm việc do máy hỏng. Điều này còn có thể giảm nguy cơ xảy ra lỗi của con người (Dhillon 2014).

Bản thân quy trình thiết kế đã thay đổi và đã giảm lớn về số lượng nhân viên thiết kế và mức độ biến đổi của cơ sở hạ tầng tương ứng. Điều này có thể làm tăng số lượng nhóm thiết kế làm việc tại nhà và chuyên dụng hoặc công ty chuyên phục vụ một số đơn vị sản xuất. Các tài liệu tham khảo về ‘thiết kế’ sẽ nhập từ vựng của kỹ sư thường xuyên hơn. Đây sẽ trở thành một phần của nhiều ngành kỹ thuật hơn mà chắc chắn sẽ có tác động tương đối sâu sắc đối với giáo dục ở mọi cấp.

Trong số các ngành công nghệ mới nổi, công nghệ sinh học đã được cải tiến nhờ những phát triển mới về hệ thống và sinh học tổng hợp, tiếp theo đó là công nghệ nano và ứng dụng của công nghệ này trong lĩnh vực nguyên vật liệu, y học, năng lượng và các lĩnh vực khác. Giờ đây có thể dự đoán nhu cầu đối với một loại nhà máy mới mà có khả năng tạo ra và điều khiển các tế bào của con người.

Công nghệ sinh học ở nhiều lĩnh vực đã bắt đầu có chỗ đứng trong bối cảnh nhà máy nhưng có sự khác biệt lớn về kích thước và quy mô. Trong khi đã có các hoạt động quy mô lớn, biến các loại cây trồng sinh học thành các sản phẩm phi thực phẩm và năng lượng, còn có các nhà máy quy mô nhỏ nhưng áp dụng công nghệ rất cao tạo ra các loại enzim, protein và phân tử sinh học tinh khiết cho y tế và phục vụ các mục đích khác. Mặc dù cộng đồng quan ngại về việc biến đổi gen nhưng những hoạt động này sẽ phát triển. Một yếu tố chung của các hoạt động này là vai trò ngày càng lớn của hoạt động liên ngành và nhu cầu ngày càng tăng đối với các kỹ sư hóa chất và quy trình.

Một phát triển mới rất khả thi là sự phát triển của ‘nhà máy tế bào gốc’ và sau đó là ‘nhà máy cơ quan thay thế’ tiềm năng. Tuy nhiên, mô hình kinh doanh và cách thức tổ chức và xây dựng của những nhà máy này vẫn chưa được quyết định. Thế giới công nghệ sinh học dễ bị nhiễm bẩn bởi các vi khuẩn, vi-rút và nấm không mong muốn. Do đó, dọn dẹp và vệ sinh tốt là điều hết sức quan trọng và điều kiện hoạt động vô trùng và rất sạch sẽ và cất giữ cẩn thận các luồng chất thải đang và sẽ là đặc tính của hầu hết các nhà máy công nghệ sinh học.

Cũng giống như nhiều quy trình hóa học khác, những nhà máy này sẽ cố gắng tận dụng mọi ‘chất thải’, bao gồm cả chất thải nhiệt và carbon dioxide để cung cấp vật liệu cho các quy trình khác trong nhà máy. Quan điểm không chất thải, hiệu quả nhiệt tối đa đang đi sâu vào tâm trí của các kỹ sư quy trình. Một ví dụ điển hình đang nổi lên là việc sử dụng năng lượng từ nhiệt thải, dòng chất lỏng hoặc chuyển động để cung cấp năng lượng điện cho các cảm biến hiện đang được tích hợp nhiều hơn vào các phân xưởng nhà máy mà thường giúp loại bỏ nhu cầu sử dụng rất nhiều dây cáp nhưng tận dụng phép viễn trắc không dây. 

Công nghệ nano có khả năng mang đến những cải tiến và thay đổi đáng kể đối với nguyên vật liệu thông qua phương pháp gia tăng cũng như mang lại tác động mang tính biến đổi thực sự trong các lĩnh vực như chiếu sáng năng lượng thấp, dự trữ năng lượng mới và biển đổi năng lượng cũng như những phát triển về y học nano. Sẽ có nhu cầu đối với thiết kế quy mô lớn có vai trò rất quan trọng để các hạt nano và các cấu trúc nano khác có thể được sản xuất hàng loạt trong các điều kiện được kiểm soát chặt chẽ và sau đó được đưa vào các nguyên vật liệu và sản phẩm. ‘Hành trình’ này mới chỉ bắt đầu. Chúng tôi đã biết về các rủi ro tiềm ẩn của các hạt nano mà có thể vô tình được phát tán vào môi trường hoặc nơi làm việc, do đó việc sử dụng chúng sẽ được kiểm soát một cách chặt chẽ và bản thân điều này sẽ dẫn đến những cách mới có lợi để kiểm soát các luồng chất thải bắt nguồn từ các nhà máy trong tương lai. Ngoài ra, chúng tôi phải giải quyết kinh tế học của việc giới thiệu các nguyên vật liệu hỗn hợp nano mới ngay cả khi chúng tôi đang hướng tới những cải tiến theo phương pháp gia tăng. Trong hầu hết các ngành công nghiệp ‘chi phí là chúa tể’ là mô hình chính và thị trường sẽ quyết định liệu một lợi ích nhỏ về hiệu suất có thể bù trừ cho việc tăng chi phí sản xuất hay không. Trong tương lai, sẽ có Phân Tích Vòng Đời sản xuất chi tiết hơn rất nhiều. Điều này đã trở nên rõ ràng trong lĩnh vực vật liệu tổng hợp vì đối với các nguyên vật liệu này, rất khó có thể hồi phục các nguyên vật liệu thô ban đầu để tái chế. Khi các nguồn tài nguyên trở nên khan hiếm, điều này thậm chí còn có thể dẫn tới các khái niệm mới về nhà máy tái chế.

Các lĩnh vực sẽ cần khái niệm nhà máy mới:

Lĩnh vực dược dường như sẽ sớm có những thay đổi quyết liệt. Nhiều phương pháp chế biến thuốc mới truyền thống sẽ được duy trì nhưng nhằm đảm bảo chất lượng và giảm chi phí, các quy trình sẽ được tự động hóa nhiều hơn và sử dụng nhiều khí cụ đo kiểm hơn. Đặc biệt, việc sử dụng công nghệ nano để kết hợp ra nhiều biện pháp phát thuốc và chẩn đoán mới sẽ dẫn tới những thay đổi lớn trong quá trình sản xuất sản phẩm. Công nghệ này có thể mang tính chất bậc thang, ban đầu là ‘mở rộng vòng đời’ của các công thức hiện có bằng cách cung cấp thuốc thông qua các hạt nano hoặc viên nang nano. Điều này đặc biệt đúng đối với thuốc ở dạng hít. Tất cả các hạt nano này cũng sẽ có lớp bề mặt ‘nhận diện mục tiêu’ khá tinh vi để đảm bảo chúng tiếp cận đúng mục tiêu trong cơ thể. Sẽ là một thách thức không nhỏ để có thể khiến quy trình sản xuất trong nhà máy tiến hành việc này theo hình thức có thể lặp lại và theo cách sẽ làm hài lòng các nhà quản lý.

Lĩnh vực Năng Lượng sẽ cần các biện pháp sản xuất mới. Hạt nano và nhiều khía cạnh của công nghệ sinh học sẽ đóng vai trò trung tâm đối với các biện pháp lưu trữ và sản sinh năng lượng mới. Hầu hết các tiến bộ mới về pin dựa nhiều vào sự phát triển của các nguyên vật liệu mới để dự trữ và giải phóng ion mang điện tích. Điều này cần sự tích hợp các nguyên vật liệu dựa trên carbon mới mà có thể được thiết kế để có bề mặt bên trong rất lớn vào trong những bộ pin này. Động lực của việc này không bị hạn chế ở ngành công nghiệp xe điện và xe lai mà còn mở rộng sang lĩnh vực dự trữ năng lượng nói chung, đặc biệt là các nguồn năng lượng tái tạo không liên tục như gió và năng lượng mặt trời. Ngoài ra, cũng sẽ cần các hạt nano dùng để xúc tác ở dạng ngày càng tinh vi. Có khả năng lớn trong việc tạo ra các chất xúc tác và lò phản ứng để giúp chuyển ‘điện dung thừa’ thành khí, hoặc hy-đrô bằng phương pháp điện phân hoặc quang điện phân nước và có khả năng tạo ra methane từ carbon dioxide và nước. Cũng cần các chất xúc tác và lò phản ứng chuyên dụng mới để chuyển khí thành chất lỏng, vì, dù muốn hay không, nhiên liệu hydrocarbon là cách vận chuyển năng lượng rất hiệu quả.



Ngành công nghiệp vận chuyển và ô tô sẽ đề ra nhiều yêu cầu mang tính thách thức đối với các nguyên vật liệu mới nhằm giảm trọng lượng nhưng vẫn duy trì độ bền và tính toàn vẹn. Các phương tiện đã có những thay đổi khi chuyển từ thép sang nhôm để có trọng lượng nhẹ hơn và thay đổi chung này có thể sẽ tiếp tục. Vai trò của vật liệu tổng hợp trong việc thay thế thép đặc biệt khó khăn vì vấn đề tái chế đã được nhắc đến trước đây. Việc khôi phục năng lượng từ nhiệt thải hiện nay trong cả lĩnh vực ô tô và xây dựng sẽ dẫn đến các loại máy bơm nhiệt mới và các máy biến đổi năng lượng khác.

Đào tạo:

Rõ ràng là nhu cầu đào tạo nhân sự cho các nhà máy của tương lai rất thiết thực và khẩn cấp. Một số sáng kiến của Châu Âu chẳng hạn như ‘Sản Xuất’ và trạng thái đối lập với Hoa Kỳ và Nhật Bản đã được Mavrikios và cộng sự (2013) tóm tắt lại cẩn thận. Các xu hướng toàn cầu trong lĩnh vực này đã được đối chiếu và phân tích trong bài viết của Secundo và cộng sự (2013). Cụ thể, bài viết này xác định nhu cầu xã hội đối với việc bảo tồn các nguồn tài nguyên khan hiếm, xem xét việc biến đổi khí hậu và giảm đói nghèo. Những tác giả này cũng xác định chương trình Sản Xuất và chương trình IMS2020 đang được thực hiện bởi Châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc, Hoa Kỳ và Thụy Sĩ mà giải quyết tất cả các vấn đề này cũng như vấn đề tiêu chuẩn hóa, đổi mới và các khía cạnh quan trọng nhất liên quan đến nâng cao năng lực và giáo dục.

Ví dụ: Anh Quốc đang tiến hành đào tạo ở một số cấp độ. Anh Quốc đang tăng cường năng lực đối với giai đoạn đào tạo kỹ năng ban đầu thông qua học việc và một số trường Cao Đẳng Công Nghệ mới đặc biệt thuộc Đại Học đang được thiết lập để đẩy mạnh một số trường Cao Đẳng Giáo Dục Nâng Cao. Ở cấp độ cao hơn, sau đại học, có một số Trung Tâm Đào Tạo Tiến Sĩ chuyên dụng. Thiếu hụt hiện nay ở Anh Quốc và những nơi khác có thể nằm ở giai đoạn sau kinh nghiệm và cung cấp các khóa học để Phát Triển Chuyên Môn Liên Tục. Thật ra, không cần phải giải quyết vấn đề này.

Gần đây, EPSRC đã đưa ra sáng kiến rất tập trung nhằm tăng cường công tác đào tạo và chuyển giao kiến thức trong lĩnh vực sản xuất và đã tạo ra 16 Trung Tâm Sản Xuất Sáng Tạo mới. Việc cung cấp nghiên cứu và phát triển ở các giai đoạn đầu Sẵn Sàng về Công Nghệ Cấp Độ 1-3 bổ sung cho sáng kiến Catapult mới của Innovate UK mà bao quát các cấp độ TRL cao hơn. Hiện nay, có 7 trong số những trung tâm này có trụ sở ở trong nước với số tiền đầu tư là £140 triệu trong giai đoạn 6 năm.

Một khía cạnh nữa vẫn chưa được bao quát là vấn đề duy trì hoạt động của các nhà máy của chúng tôi trong tương lai. Trong những năm qua, một số biện pháp theo dõi tình hình và bảo trì phòng ngừa, đặc biệt là trong ngành hàng không vũ trụ và ô tô, đã được áp dụng. Khi quy trình sản xuất trở nên đa dạng và tự động hơn, sẽ cần loại bỏ các lỗi trong nhà máy và đặc biệt là lỗi của con người. Những vấn đề này được mô tả rất kỹ trong bài viết gần đây của Dhillon (2014).

Hiện nay có những chính sách khu vực và quốc gia nào giúp xây dựng Nhà Máy của Tương Lai?

Câu trả lời đối với câu hỏi này nhận được sự đồng thuận rộng rãi và dường như cùng có một mục đích chung đang ngày càng bộc lộ.

Ủy Ban Châu Âu đã ban hành tài liệu do Hiệp Hội nghiên cứu các Nhà Máy của Tương Lai của Châu Âu yêu cầu: ‘Nhà Máy của Tương Lai’ đưa ra lộ trình chi tiết cho chương trình Tầm Nhìn 2020. Tài liệu này có một cái nhìn rất rộng bao quát các khía cạnh kỹ thuật, xã hội và tổ chức.

Chính Phủ Anh Quốc đã ban hành tài liệu được yêu cầu dưới dạng một phần của dự án Dự Đoán Tương Lai sản xuất: Nhà Máy của Tương Lai (Ridgeway và cộng sự (2013). Tài liệu này khuyến nghị:
  • Tích hợp nhiều hơn các chuỗi cung ứng
  • Hợp tác chặt chẽ hơn giữa Ngành và các trường đại học của Anh Quốc
  • Tập trung vào sự đổi mới cả về tổ chức và kỹ thuật
  • Quan điểm ‘tích hợp hệ thống’
  • Thiết kế các hoạt động và nhà máy có thể tái cơ cấu
  • Khung pháp lý thuận lợi cho các nhà máy mới, đặc biệt là trong lĩnh vực khoa học đời sống
  • Tầm nhìn của Anh Quốc mà thúc đẩy sự Đổi Mới và khuyến khích các mạng lưới nhân tài
  • Nhận ra rằng phải thay đổi về văn hóa.

Có bằng chứng rõ ràng rằng các chính sách của khu vực về việc tạo ra Nhà Máy của Tương Lai đang bắt đầu trên đà phát triển. Ví dụ: khái niệm phương pháp “cắm và chạy” theo mô đun đang được áp dụng trong hoạt động sản xuất hóa chất tại cơ sở Bayer Technology Services ở Đức được hỗ trợ bằng nguồn vốn của Châu Âu. Cơ sở sản xuất hóa chất BASF lớn tại Ludwigshafen đã cung cấp ví dụ về hoạt động sản xuất hoàn toàn được tích hợp mà tạo ra lượng năng lượng hay vật liệu phế thải nhỏ nhất

Rõ ràng là sứ mệnh tạo ra những nhà máy của tương lai này hiện đã bắt đầu và chúng tôi đang phải đương đầu với những thời điểm thực hiện thú vị và đầy thách thức.

Tài Liệu Tham Khảo:
Mavrikios D, Papakostas N, Mourtzis, D, và Chryssolouris G. (2013). Hoạt động dạy và học trong ngành dành cho các nhà máy của tương lai: khuôn khổ mang tính khái niệm, nhận thức và công nghệ. J.Intell. Manuf. 24, 473.

Dhillon BS. (2014). Lỗi của con người trong bảo trì: Nghiên cứu điều tra dành cho các nhà máy của tương lai. Khoa Học và Kỹ Thuật Vật Liệu. 65, 012031.

Ridgway K, Clegg CW, Williams DJ. (2013). Nhà Máy của Tương Lai. ISBN-13:987-0-9927172-0-9

Secundo G, Passiante G, Romano A và Moliterni P (2013) Phát triển thế hệ kỹ sư tiếp theo nhằm phục vụ hoạt động sản xuất thông minh và bền vững: Nghiên cứu tình huống. Tạp Chí Quốc Tế về Giáo Dục Kỹ Thuật 29, 248.

[END]

Tiểu sử Peter Dobson

Peter là chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực sản xuất, vật liệu tiên tiến và công nghệ nano. Ông hiện là Nghiên Cứu Chính của Nhóm Sản Xuất Warwick của Trường Đại Học Warwick, là thành viên một số ban hội thẩm và ủy ban của EPSRC và tư vấn rộng rãi cho ngành. Từ năm 2002 đến 2013, ông đã chỉ đạo Begbroke Science Park tại Trường Đại Học Oxford và ông đã sáng lập một số công ty con phái sinh. Peter được phong tước Sĩ Quan Đế Chế Anh (OBE) công nhận những dịch vụ của ông đối với khoa học và kỹ thuật trong năm 2013 và cũng trong năm đó, ông đã nghỉ hưu từ Trường Đại Học Oxford, nơi ông đã làm Nhà Tư Vấn Chiến Lược về Công Nghệ Nano cho Hội Đồng Nghiên Cứu ở Anh Quốc (2009-2013).

P J Dobson, Cử Nhân Khoa Học (BSc), Thạc Sĩ (Oxon), Tiến Sĩ, Nhà Vật Lý Hoàng Gia (C Phys), Nghiên Cứu của Viện Vật Lý (F Inst P), Thành Viên của ACS, FRCS.

SKF logo