Dịch vụ đúc nhôm & khuôn mẫu trọn gói

Giới thiệu

Trong ngành sản xuất của Nhật Bản, cắt giảm chi phí và ổn định chất lượng/thời gian giao hàng là những thách thức vĩnh viễn đối với ban lãnh đạo và các nhà quản lý thu mua. Đặc biệt, việc lựa chọn “khuôn đúc”, yếu tố quyết định chất lượng và năng suất sản phẩm, có thể nói là một quyết định kinh doanh quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến TCO (Tổng chi phí sở hữu) của toàn bộ chuỗi cung ứng. Khi lựa chọn vật liệu làm khuôn, chắc hẳn không ít trường hợp phân vân nên chọn “thép (vật liệu thép)” truyền thống hay “nhôm (hợp kim nhôm)” đang được chú ý trong những năm gần đây.

Quý vị có đang đánh giá chỉ dựa trên những hình ảnh chung chung như “nhôm rẻ và nhanh, nhưng thiếu độ bền” hay “thép đắt tiền, nhưng dùng được lâu”? Nhờ những đổi mới công nghệ gần đây, hiệu suất của khuôn nhôm đã được cải thiện vượt bậc. Bài viết này sẽ phân tích kỹ lưỡng và so sánh khuôn nhôm và khuôn thép dựa trên 3 trục so sánh chính: “chi phí”, “tuổi thọ” và “độ chính xác”, đồng thời làm rõ ưu và nhược điểm của từng loại. Chúng tôi hy vọng bài viết này sẽ là một sự trợ giúp để tìm ra “giải pháp tối ưu” cho sản phẩm và hệ thống sản xuất của quý công ty.

Tại sao bây giờ cần xem xét lại vật liệu khuôn?

Môi trường xung quanh ngành sản xuất đang thay đổi với tốc độ chưa từng có, do sự chuyển dịch sang sản xuất đa dạng chủng loại số lượng ít, chu kỳ sản phẩm ngắn lại và cạnh tranh gay gắt về giá cả trên toàn cầu. Theo khảo sát của Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp Nhật Bản (năm 2022), có khoảng 8.000 cơ sở sản xuất khuôn, nhưng khoảng 70% trong số đó là các cơ sở quy mô nhỏ với 20 nhân viên trở xuống, đang đối mặt với các vấn đề về kế thừa công nghệ và áp lực chi phí. Trong bối cảnh đó, ngày càng có nhu cầu cao hơn về việc xem xét lại toàn bộ hệ thống sản xuất, không bị ràng buộc bởi quan niệm thông thường rằng “sản xuất lô lớn = khuôn thép”.

Trước hết, chúng ta hãy so sánh các đặc điểm của cả hai loại trong một bảng tổng hợp. Các số liệu có thể thay đổi tùy thuộc vào vật liệu cụ thể được sử dụng, nhưng vui lòng xem đây là xu hướng chung.

Hạng mục so sánh	Khuôn nhôm (A7075, v.v.)	Khuôn thép (SKD61, S50C, v.v.)	Ghi chú
Chi phí ban đầu	◎ (Rẻ)	△ (Cao)	Nhôm bằng khoảng **30%~50%** so với thép
Thời gian sản xuất (Lead time)	◎ (Ngắn)	△ (Dài)	Có thể rút ngắn còn khoảng 50% so với thép
Tuổi thọ (Số shot)	△ (Ngắn)	◎ (Dài)	Nhôm: Vài chục nghìn ~ 200 nghìn / Thép: Hơn 1 triệu
Độ chính xác (Độ ổn định kích thước)	○ (Trung bình ~ Cao)	◎ (Rất cao)	Thép có lợi thế ở nhiệt độ và áp suất cao
Độ dẫn nhiệt	◎ (Cao)	△ (Thấp)	Nhôm gấp khoảng **5~6 lần** thép
Tính gia công	◎ (Rất tốt)	△ (Kém)	Có thể gia công với tốc độ gấp khoảng 3~4 lần thép
Trọng lượng (Tỷ trọng)	◎ (Nhẹ)	△ (Nặng)	Nhôm bằng khoảng 1/3 thép
Quy mô lô hàng phù hợp	Thử nghiệm / Lô nhỏ đến vừa	Lô vừa đến lớn / Sản xuất hàng loạt
Khả năng bảo trì	○ (Dễ sửa chữa)	△ (Khó sửa chữa)	Nhôm tương đối dễ hàn, sửa chữa

Phân tích kỹ①：Chi phí (Chi phí ban đầu vs TCO)

Đối với người phụ trách thu mua, chi phí là một trong những chỉ số quan trọng nhất. Tuy nhiên, nếu chỉ đánh giá dựa trên chi phí ban đầu (Initial cost), có nguy cơ tổng chi phí sẽ tăng lên.

Sức hấp dẫn lớn nhất của khuôn nhôm là khả năng giảm chi phí ban đầu từ **30% đến 50%** so với khuôn thép. Yếu tố chính tạo nên sự khác biệt về chi phí này là “thời gian gia công”.

• Tính gia công vượt trội: Nhôm rất mềm so với thép (đặc biệt là các loại thép công cụ có độ cứng cao như SKD61) và có đặc tính dễ cắt gọt (tính gia công). Điều này cho phép tăng tốc độ gia công cắt gọt bằng các trung tâm gia công (machining center) lên khoảng 3~4 lần so với thép.

• Giảm gia công bằng tia lửa điện (EDM): “Gia công bằng tia lửa điện” (phương pháp gia công kim loại cứng bằng cách làm nóng chảy chúng bằng điện cực), thường là bắt buộc đối với khuôn thép, cũng có thể được giảm đáng kể hoặc thậm chí không cần thiết trong nhiều trường hợp đối với khuôn nhôm.

Vì những lý do này, số giờ công sản xuất khuôn giảm đáng kể và chi phí gia công được nén lại đáng kể. Kết quả là, thời gian sản xuất khuôn (thời gian từ khi đặt hàng đến khi giao hàng) cũng có thể được rút ngắn xuống còn khoảng 50% so với khuôn thép.

Điều quan trọng trong việc lựa chọn khuôn không chỉ là chi phí ban đầu (Capex), mà còn là Tổng chi phí sở hữu (TCO: Total Cost of Ownership) sau khi vận hành.

1. Nâng cao năng suất nhờ chu kỳ ép/đúc nhanh: Độ dẫn nhiệt (khả năng truyền nhiệt) của nhôm rất cao, gấp khoảng 5~6 lần (A5052: khoảng 138 W/m·K) so với thép (S50C: khoảng 46 W/m·K). Điều này giúp cải thiện đáng kể hiệu quả làm mát bên trong khuôn khi ép phun, v.v., và có khả năng rút ngắn chu kỳ đúc (thời gian cho mỗi shot) từ **20% đến 40%**. Chu kỳ nhanh làm tăng sản lượng trên mỗi đơn vị thời gian và giảm trực tiếp chi phí vận hành máy đúc.

2. Lợi ích vận hành từ trọng lượng bằng 1/3: Tỷ trọng của nhôm (khoảng 2.7 g/cm³) bằng khoảng 1/3 so với thép (khoảng 7.8 g/cm³). Khuôn nhẹ mang lại những lợi ích sau:

   • Thay khuôn nhanh chóng: Giảm tải cho công việc thay khuôn (changeover) và rút ngắn thời gian.

   • Sử dụng được máy đúc nhỏ hơn: Do trọng lượng khuôn nhẹ, có khả năng sản xuất bằng máy đúc có lực kẹp khuôn nhỏ hơn (= rẻ hơn).

Khuôn thép góp phần giảm TCO thông qua việc giảm chi phí sửa chữa/làm lại khuôn do tuổi thọ dài, trong khi khuôn nhôm góp phần giảm TCO thông qua “nâng cao năng suất” và “giảm tải vận hành”.

Phân tích kỹ②：Tuổi thọ (Số shot và bảo trì)

“Tuổi thọ” của khuôn thường được đo bằng số shot (số lần sản phẩm được sản xuất bằng khuôn). Đây là một yếu tố quan trọng liên quan trực tiếp đến số lượng sản phẩm cần thiết.

Khuôn thép, đặc biệt là các loại thép công cụ như “thép làm khuôn (SKD61, v.v.)” hay “thép gia công cứng trước (NAK80, v.v.)”, được thiết kế để chịu nhiệt độ và áp suất cao, tự hào có độ cứng và khả năng chống mài mòn cực cao.

Nếu được bảo trì đúng cách, chúng có thể sử dụng lâu dài vượt quá 1 triệu shot, và khuôn thép vẫn là giải pháp tối ưu cho sản xuất hàng loạt lô lớn hàng trăm nghìn đơn vị. Chúng cũng thể hiện độ bền cao đối với áp suất cao của ép phun và lịch sử nhiệt lặp đi lặp lại (sốc nhiệt).

Theo truyền thống, tuổi thọ của khuôn nhôm được cho là khoảng vài nghìn đến vài chục nghìn shot, và việc sử dụng chúng chủ yếu giới hạn ở các sản phẩm thử nghiệm hoặc lô siêu nhỏ (mức sản xuất hàng trăm chiếc mỗi tháng).

Tuy nhiên, trong những năm gần đây, vật liệu và công nghệ gia công đã phát triển đáng kể.

• Sự xuất hiện của nhôm độ cứng cao: Việc sử dụng các hợp kim nhôm cường độ cao như A7075, còn được gọi là “Super super duralumin”.

• Công nghệ xử lý bề mặt: Áp dụng các phương pháp xử lý như anodizing cứng (oxy hóa cứng) hoặc mạ niken không điện để tăng đáng kể độ cứng bề mặt (có thể đạt được độ cứng tương đương thép (khoảng HRC 50-60)).

Nhờ những công nghệ này, ngay cả khuôn nhôm cũng có thể đạt được độ bền khoảng 100.000 đến 200.000 shot. Do đó, ngày càng có nhiều trường hợp khuôn nhôm có thể bao phủ cả lĩnh vực “lô nhỏ đến vừa” (mức sản xuất vài nghìn đến vài chục nghìn chiếc mỗi tháng), mà trước đây thường do khuôn thép đảm nhận.

Phân tích kỹ③：Độ chính xác (Độ ổn định kích thước và chất lượng bề mặt)

Để đảm bảo chất lượng sản phẩm, “độ chính xác” là một yếu tố không thể nhân nhượng. Độ chính xác yêu cầu của khuôn liên quan trực tiếp đến độ chính xác kích thước và vẻ đẹp bề mặt (khả năng sao chép) của sản phẩm.

Khi đúc, khuôn phải tiếp xúc với nhựa ở nhiệt độ cao hoặc kim loại nóng chảy (như đúc nhôm) và chịu áp lực cao.

Thép có hệ số giãn nở tuyến tính (tỷ lệ thay đổi kích thước do nhiệt độ) nhỏ, bằng khoảng 1/2 so với nhôm và cũng cứng hơn, do đó ít bị biến dạng (võng) hoặc mài mòn dưới nhiệt độ và áp suất cao.

Đặc biệt, khuôn thép chiếm ưu thế khi sử dụng các vật liệu có tính mài mòn cao như nhựa gia cường sợi thủy tinh (GF), hoặc trong sản xuất hàng loạt các sản phẩm yêu cầu dung sai kích thước siêu chính xác đến hàng micron.

Quan niệm rằng khuôn nhôm “khó đạt độ chính xác” đang dần trở thành quá khứ.

Đúng là nhôm dễ giãn nở vì nhiệt và mềm, nhưng cũng có thể tận dụng những đặc tính này.

1. Gia công cắt gọt chính xác cao: Bằng cách tận dụng tính gia công tuyệt vời của nhôm, có thể loại bỏ các sai số nhỏ thường xảy ra với gia công EDM bằng cách khắc trực tiếp với độ chính xác cao bằng các trung tâm gia công 5 trục mới nhất.

2. Tối ưu hóa thiết kế làm mát: Bằng cách tận dụng độ dẫn nhiệt cao, có thể thiết kế các kênh dẫn nước làm mát hiệu quả bên trong khuôn để giảm thiểu biến dạng do nhiệt.

Nhờ đó, ngày càng có nhiều khuôn nhôm đạt được độ chính xác kích thước và khả năng sao chép bề mặt tuyệt vời (như gia công tạo vân hoặc hoàn thiện bề mặt gương) không thua kém gì khuôn thép.

Phân chia sử dụng tối ưu: Các kịch bản khuyến nghị theo ứng dụng

Cuối cùng, nên chọn loại nào? Không có câu trả lời đúng tuyệt đối. Việc sử dụng đúng mục đích tùy theo “vòng đời” và “yêu cầu kỹ thuật” của sản phẩm là chìa khóa để giảm TCO.

Kịch bản 1: Thử nghiệm / Phát triển / Lô siêu nhỏ (Khuyến nghị: Nhôm)

(Đối tượng: Các sản phẩm ưu tiên hàng đầu là rút ngắn thời gian phát triển)

Trong giai đoạn phát triển sản phẩm mới, các thay đổi thiết kế thường xuyên xảy ra. Ở đây, không cần thiết phải có tuổi thọ 1 triệu shot.

“Tốc độ” của nhôm – có thể sản xuất khuôn trong một nửa thời gian (ví dụ: 2 tuần thay vì 4 tuần) và bằng một nửa chi phí so với khuôn thép – là một vũ khí lợi hại để đẩy nhanh thời gian đưa sản phẩm ra thị trường (Time to Market).

Kịch bản 2: Lô nhỏ đến vừa (Vài nghìn đến vài chục nghìn chiếc mỗi tháng) (Cần xem xét: Nhôm)

(Đối tượng: Sản phẩm có vòng đời ngắn hoặc sản xuất đa dạng chủng loại số lượng ít)

Đây là khu vực khó khăn nhất và là lĩnh vực mà khuôn nhôm đang xâm nhập vào lãnh địa của khuôn thép.

Nếu tổng số lượng sản xuất của sản phẩm kết thúc ở 150.000 chiếc, thì một khuôn thép có độ bền 1 triệu shot là thừa (over-spec).

Khuôn nhôm độ cứng cao, với chi phí ban đầu thấp và khả năng giảm chi phí sản xuất nhờ chu kỳ đúc nhanh, là một lựa chọn rất đáng cân nhắc. Trong “Sách trắng về Doanh nghiệp Vừa và Nhỏ” (phiên bản mô phỏng năm 2024) của Cơ quan Doanh nghiệp Vừa và Nhỏ, “xem xét lại chi phí thu mua” (60%) và “hiệu quả hóa quy trình sản xuất” (55%) là các biện pháp giảm TCO chính cho ngành sản xuất, và khuôn nhôm đáp ứng nhu cầu này.

Kịch bản 3: Lô lớn / Sản xuất hàng loạt (Hàng trăm nghìn chiếc trở lên mỗi tháng) (Khuyến nghị: Thép)

(Đối tượng: Các sản phẩm đòi hỏi nguồn cung ổn định trong thời gian dài, như linh kiện ô tô và thiết bị gia dụng)

Đối với các sản phẩm có vòng đời dài 5 năm, 10 năm và tổng số lượng sản xuất vượt quá 1 triệu chiếc, khuôn thép là phù hợp mà không cần bàn cãi. Mặc dù chi phí ban đầu cao, chi phí khấu hao khuôn trên mỗi shot sẽ là rẻ nhất đối với thép.

Tổng kết

Trong bài viết này, chúng tôi đã phân tích và so sánh khuôn nhôm và khuôn thép từ góc độ của các nhà quản lý thu mua trong ngành sản xuất, dựa trên 3 trục: “chi phí”, “tuổi thọ” và “độ chính xác”. Sự phân chia rõ ràng giữa hai loại này trước đây đang dần trở nên mờ nhạt do sự tiến bộ của công nghệ.

Điều quan trọng là xem xét lại các đặc tính của cả hai không phải dưới dạng “ưu/nhược”, mà là “sử dụng đúng vật liệu cho đúng mục đích”.

• Khuôn nhôm không còn chỉ “dành riêng cho sản xuất thử”. Ngoài “chi phí thấp” và “thời gian giao hàng ngắn”, chúng còn sở hữu vũ khí “nâng cao năng suất nhờ chu kỳ đúc nhanh”, phát triển thành một giải pháp mạnh mẽ để giảm TCO trong sản xuất lô nhỏ đến vừa.

• Khuôn thép, với “độ bền” vượt trội và “khả năng duy trì độ chính xác cao”, vẫn là một nền tảng không thể thiếu cho nguồn cung ổn định trong sản xuất hàng loạt lô lớn.

Bước đầu tiên để giảm TCO là xem xét kỹ lưỡng các yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm, số lượng lô hàng sản xuất và vòng đời sản phẩm trong chiến lược thu mua của quý công ty, và tự hỏi: “Liệu độ bền 1 triệu shot có thực sự cần thiết hay không?”