Khoa học và công nghệ (KH&CN) cơ khí chế tạo của thế giới trong thế kỷ XX đã có những bước phát triển vượt bậc nhờ ứng dụng các công nghệ hiện đại như: Công nghệ thông tin, vật liệu nano, tự động hoá... Trong kinh tế, ngành công nghiệp cơ khí chế tạo vẫn đóng vai trò chủ đạo, góp phần làm thay đổi diện mạo thế giới, với trên 20 triệu doanh nghiệp đang hoạt động trên các châu lục, chiếm tới 28% số lượng việc làm và đóng góp 25% giá trị tổng sản phẩm của thế giới. Bài viết này, tác giả giới thiệu một số thành tựu công nghệ cơ khí chế tạo thế giới trong thế kỷ XX và xu hướng phát triển đến năm 2030.
Khoa học và công nghệ (KH&CN) cơ khí chế tạo của thế giới trong thế kỷ XX đã có những bước phát triển vượt bậc nhờ ứng dụng các công nghệ hiện đại như: Công nghệ thông tin, vật liệu nano, tự động hoá... Trong kinh tế, ngành công nghiệp cơ khí chế tạo vẫn đóng vai trò chủ đạo, góp phần làm thay đổi diện mạo thế giới, với trên 20 triệu doanh nghiệp đang hoạt động trên các châu lục, chiếm tới 28% số lượng việc làm và đóng góp 25% giá trị tổng sản phẩm của thế giới. Bài viết này, tác giả giới thiệu một số thành tựu công nghệ cơ khí chế tạo thế giới trong thế kỷ XX và xu hướng phát triển đến năm 2030.
Các giai đoạn phát triển của cơ khí chế tạo thế giới từ thế kỷ XX đến nay
Từ năm 1900 đến 1910: Tại triển lãm Pari năm 1900 đã đề cập đến công nghệ gia công cắt gọt kim loại. Năm 1906, F.W.Taylor và M.White phát triển máy cắt gọt kim loại. Năm 1909, Hãng Ford áp dụng dây chuyền sản xuất tự động.
Từ 1911 đến 1930: Phát triển nhiều máy công cụ, dụng cụ và vật liệu chế tạo mới. Năm 1921, để đạt được các nguyên công hiệu quả, Hãng Ford bắt đầu thực hiện phép phân tích kỹ thuật lượng vật liệu cần thiết trong gia công chế tạo ô tô.
Từ 1931 đến 1940: Xuất hiện những phương pháp mới để phân tích các hệ thống điều khiển trong ngành cơ khí chế tạo.
Từ 1941 đến 1950: Năm 1946, máy tính điện tử đầu tiên dùng đèn điện tử (ENIAC) do J.W.Mauchly và J.P.Eckert chế tạo. Năm 1947, thuật ngữ Tự động hoá (Automation) được D.S. Header của Hãng Ford Motor đặt ra. Cuối năm 1949, bắt đầu áp dụng điều khiển tự động cho nhiều hệ thống, máy móc và quy trình khác nhau.
Thập kỷ 50: Đầu thập kỷ đã sáng chế ra mạch tích hợp (IC) và máy tính số đầu tiên. Năm 1952, phát triển kỹ thuật điều khiển số (Numerically Controlled-NC) và khởi đầu của máy công cụ. Cuối thập kỷ 50, tăng trưởng nhanh ngành điện tử và tự động hóa.
Thập kỷ 60: Năm 1960, lần đầu tiên sử dụng rôbốt công nghiệp do Unimate chế tạo và Ford thực hiện. Giai đoạn 1960-1972, bắt đầu áp dụng điều khiển số bằng máy tính CNC (Computer Numerically Controlled- CNC) nhờ tiến bộ của các máy tính mini dẫn đến việc nâng cao năng suất, chất lượng, độ chính xác đối với sản phẩm cơ khí chế tạo. Trong các năm 1965-1966, lần đầu tiên IBM và GM (General Motors) áp dụng điều khiển bằng máy tính cho dây chuyền sản xuất. Năm 1968, bộ điều khiển logic khả lập trình PLC (Programmable Logical Controllers) đã được thiết kế và sử dụng tại GM.
Thập kỷ 70: Đầu thập kỷ 70 đã gia tăng các nghiên cứu điều khiển số đối với các động cơ trợ động nhằm nâng mức độ điều khiển quy trình gia công. Năm 1971, M.E. Hoff sáng chế ra bộ vi xử lý đầu tiên Intel 4004. Năm 1973, đưa ra khái niệm ban đầu về chế tạo được tích hợp máy tính CIM (Computer Integrated Manufacturing). Năm 1974, Cincinati Milacron lần đầu tiên đưa ra thị trường rôbốt được điều khiển bằng máy tính mini. Giữa và cuối thập kỹ 70, H.Volckez phát triển chương trình thiết kế được trợ giúp bằng máy tính - CAD (Computer aid Design) và bắt đầu áp dụng chế tạo được trợ giúp bằng máy tính -CAM (Computer aid Manufacturing). Năm 1977, xuất hiện máy vi tính cá nhân.
Thập kỷ 80: Tiếp tục đạt được nhiều tiến bộ trong lý thuyết điều khiển, hệ thống và trí tuệ nhân tạo như nhận dạng hệ thống, điều khiển ngẫu nhiên, điều khiển thích nghi, mạng nơron, hệ chuyên gia, logic mờ và quy hoạch tiến hoá. Hệ thống chế tạo linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System) ra đời, theo đó, nhiều loại sản phẩm được sản xuất trên cùng một dây chuyền.
Thập kỷ 90 đến nay: Việc sử dụng công nghệ CAD/CAM đại trà đã cho phép, chế tạo sản phẩm cơ khí nhanh hơn, chế tạo các loại máy công cụ có tốc độ cao, chính xác, thông minh và hiệu quả hơn. Năm 1995, sử dụng rộng rãi thiết bị điều khiển máy công cụ dựa vào PC, phục vụ cả các chức năng PLC và CNC. Cũng trong năm 1995, mở ra Pha 1 (1995-2005), Chương trình Quốc tế IMS (Intelligent Manufacturing Systems - Các hệ thống chế tạo thông minh) với sự tham gia của 300 công ty, viện nghiên cứu của ôxtrâylia, Canada, Mỹ, EU, Nhật Bản, Hàn Quốc và Thụy Sỹ.
Năm 2005, bắt đầu Pha 2 Chương trình Quốc tế IMS.
Một số thành tựu
Công nghệ gia công chế tạo
Sự đổi mới liên tục của CAD/CAM đã giúp cho các nhà chế tạo tiết kiệm về tài chính, thời gian, nguồn lực, vì CAD và CAM đều là những phương pháp dựa vào máy tính để mã hoá dữ liệu hình học, nên tạo khả năng cho các quy trình thiết kế và chế tạo được tích hợp cao độ. Hệ CAD tất nhiên không hiểu được các khái niệm của thế giới thực, chẳng hạn như bản chất hay chức năng của đối tượng được thiết kế. Hệ CAD thi hành chức năng của mình nhờ khả năng mã hoá các khái niệm hình học. Do vậy, quá trình thiết kế dựa vào CAD liên quan đến việc chuyển ý tưởng của người thiết kế thành mô hình hình học. Các nhược điểm khác của CAD đang được khắc phục nhờ R&D trong lĩnh vực hệ chuyên gia. Lĩnh vực này được hình thành từ các nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo (Actifial Intelligence- AI). Một ví dụ về hệ chuyên gia bao hàm việc kết hợp thông tin về bản chất của vật liệu, trọng lượng, ứng lực, độ bền, độ dẻo vào phần mềm CAD. Nhờ tích hợp được các dữ liệu đó và những dữ liệu khác vào phần mềm nên hệ CAD có thể biết được những gì mà người kỹ sư biết khi người đó tạo ra một bản vẽ thiết kế. Sau đó, CAD có thể bắt chước cách nghĩ của người kỹ sư và thực hiện công việc thiết kế. Do công nghệ CAD/CAM ngày càng hoàn thiện nên đã tạo cơ sở phát triển các công nghệ gia công như:
Công nghệ tạo nguyên mẫu, đúc và cán nhanh: Ngoài việc tăng cường các phương pháp gia công truyền thống, công nghệ tạo nguyên mẫu nhanh đang nổi lên, đem lại cuộc cách mạng cho những khái niệm đang diễn ra, từ mô hình máy tính đến chi tiết nguyên mẫu đã hoàn tất. Các thiết bị tạo nguyên mẫu nhanh in hoặc tạo dựng các chi tiết 3D trực tiếp từ mô hình lập thể 3D CAD bằng các vật liệu polyme. Có 2 công nghệ thường dùng là in lito lập thể - SLA (Stereo Lithography) và kết tủa. Công nghệ SLA sử dụng tia laser để kích hoạt quá trình lưu hoá nhựa epoxy trong các lớp mỏng được xác định chính xác để tạo nên chi tiết. Công nghệ kết tủa sử dụng các kim phun nhỏ để phủ các lớp mỏng polyme dẻo nóng chảy, tạo nên chi tiết. Nhờ trực tiếp chế tạo ra các chi tiết từ những file dữ liệu CAD, công nghệ tạo nguyên mẫu nhanh giúp giảm được rất nhiều thời gian và chi phí liên quan tới việc chế tạo các mô hình nguyên mẫu để hiển thị các thiết kế và kiểm tra mức độ phù hợp, hình dạng và chức năng.
Công nghệ tạo nguyên mẫu nhanh với chi phí thấp mở đường cho các công nghệ đúc polyme và các kim loại mà nếu kết hợp với các công đoạn gia công hoàn tất thì sẽ đem lại triển vọng giảm được rất nhiều thời gian và chi phí cho một số chi tiết máy.
Công nghệ chế tạo điện hoá (Electrochemical Fabrication - EFAB): EFAB là một công nghệ chế tạo các chi tiết không cần khuôn đúc. Công nghệ này có thể dùng để chế tạo các chi tiết kim loại vi mô lập thể, có hình dạng phức tạp, mà các công nghệ khác không thể thực hiện được, chẳng hạn như công nghệ gia công bằng tia lửa điện, công nghệ laser, công nghệ chế tạo vi mạch. Quy trình EFAB tự động chế tạo các chi tiết kim loại bằng cách mạ điện để hình thành nên rất nhiều lớp độc lập, theo một mẫu xác định, rồi kết hợp các lớp đó với nhau để tạo ra chi tiết cần thiết. Quy trình này cũng tương tự như công nghệ tạo nguyên mẫu nhanh, chẳng hạn như công nghệ in litô lập thể, dựa trên cơ sở xếp chồng nhiều lớp đã được lập mẫu từ trước để tạo ra sản phẩm. Quy trình EFAB được thiết kế để kết hợp những ưu điểm của các công nghệ gia công truyền thống với những ưu điểm của công nghệ chế tạo vi mạch bán dẫn. Với các công nghệ gia công chính xác, chẳng hạn như laser hoặc gia công bằng tia lửa điện, có thể gia công một loạt các chi tiết một cách nhanh chóng và đạt hiệu quả về chi phí nhờ một máy công cụ đơn lẻ.
EFAB kết hợp được nhiều ưu điểm của gia công chính xác và công nghệ chế tạo vi mô, tương tự như máy công cụ CNC, EFAB được thực hiện bằng một hệ thống duy nhất, hoàn toàn tự động, có khả năng chế tạo các chi tiết từ khi bắt đầu đến khi kết thúc. Bất kỳ một kỹ sư thiết kế nào đã quen với CAD 3D đều có thể thực hiện quy trình này. EFAB là công nghệ gia công hiệu quả để sản xuất lô lớn các chi tiết có độ chính xác cao (có thể chế tạo các chi tiết chứa những phần tử nhỏ hơn 0,001 inch, độ dung sai dưới 0,0001 inch). EFAB kết hợp được các đặc tính về tốc độ cao, dễ sử dụng và linh hoạt của máy công cụ với các đặc tính về độ chính xác và khả năng mở rộng cấp độ của công nghệ chế tạo vi mạch bán dẫn.
Công nghệ gia công cắt gọt vi mô tốc độ cao (Micro-Tooling): Có nhiều lợi ích khi sử dụng gia công tốc độ cao - HSM (High Speed Machining) với các nguyên công cắt gọt vi mô. Hiện chưa có định nghĩa thống nhất hoặc các tham số tuyệt đối về HSM nhưng trong thực tế người ta thường gia công với tốc độ trục chính là 25.000 vòng/phút hoặc cao hơn.
Công nghệ gia công bằng tia lửa điện: Gia công bằng tia lửa điện EMD (Electrical Discharge Machining) có thể được ứng dụng để cắt các hình dạng khác nhau, đặc biệt là các vật liệu cứng, chẳng hạn như thép dụng cụ. Quá trình gia công bằng EMD như sau: Tạo ra một loạt tia lửa điện có tốc độ cao giữa dụng cụ (điện cực), phôi và chất lỏng điện phân; phôi được nhúng chìm trong chất lỏng cách điện, chẳng hạn như dầu và được tiệm cận tới dụng cụ; dụng cụ được nối với nguồn điện một chiều cao áp (nguồn điện này tạo ra hàng triệu hồ quang nhỏ, có tác dụng công phá phôi theo từng lượng nhỏ); các hạt kim loại giải phóng ra, thường có dạng hình cầu rỗng, được đưa ra khỏi khu vực gia công bằng chất lỏng cách điện. EDM có thể được ứng dụng để cắt, khoan, tạo khuôn, dập lỗ. Công nghệ này cũng có thể được dùng để thay thế cho các nguyên công phay, cắt và khoan bằng cơ khí, cũng như cắt và khoan bằng laser. Tác dụng giảm phế thải chủ yếu của EDM là không để xảy ra gãy dụng cụ. Nó có vai trò quan trọng trong những ứng dụng có nhiều nguy cơ gãy dụng cụ.
Gia công bằng tia nước: Công nghệ này được ứng dụng để thay thế các công nghệ cắt bằng cơ khí thông thường, cũng như thay thế cho công nghệ laser, plasma và ôxy. Hệ thống tạo tia nước bao gồm một số máy bơm chuyên dụng và áp suất nước được gia cường lên hơn 3.400 Atm. Tiếp đó nó được nén qua kim phun bằng kim loại hoặc saphire để tạo ra tia nước có đường kính 2 mm và đạt tới tốc độ cao hơn nhiều lần so với tốc độ âm thanh. Đối với những vật liệu quá cứng, có thể bổ sung thêm bột mài để tăng cường tác dụng cắt. ứng dụng công nghệ gia công bằng tia nước có thể giảm hoặc loại bỏ những loại phế thải nhất định, bao gồm chất lỏng gia công, nước thải bị ô nhiễm, tro, xỉ...
Vật liệu chế tạo
Trong ngành công nghiệp cơ khí chế tạo, có 3 nhóm vật liệu có tính truyền thống, đó là vật liệu kim loại, vật liệu hữu cơ polyme và vật liệu vô cơ ceramic. Một loại vật liệu mới khác - vật liệu compozit đang được ưu tiên phát triển. Compozit chính là sự kết hợp nhân tạo của hai hoặc ba loại vật liệu cơ bản nói trên.
Vật liệu kim loại, trước hết là thép, vẫn giữ vai trò then chốt trong ngành công nghiệp chế tạo. Trong những thập kỷ gần đây công nghệ vật liệu đang đi vào nghiên cứu và sử dụng các loại thép có chất lượng cao như thép hợp kim thấp độ bền cao, thép hợp kim hoá vi lượng, thép nitơ, thép kết cấu siêu bền. Bên cạnh đó, nhôm cũng đóng vai trò không nhỏ trong ngành công nghiệp chế tạo. Hợp kim nhôm có độ bền cao, chống ăn mòn tốt, đã trở thành loại vật liệu thích hợp trong ngành công nghiệp chế tạo ô tô, máy bay, tàu thuỷ.
Vật liệu polyme, có nhiều ưu điểm như tính dẻo cao, tính ổn định hoá học cao trong nhiều môi trường cùng với khả năng dễ tạo hình và gia công nếu có, phạm vi ứng dụng rộng. Tuy nhiên, polyme là vật liệu kết cấu nên có những hạn chế vì độ bền chưa cao, khả năng chịu nhiệt thấp, tuổi thọ ngắn.
Vật liệu gốm thường, chỉ sử dụng giới hạn trong nhóm vật liệu chịu lửa, vật liệu cắt gọt nhưng hiện người ta đang phát triển vật liệu gốm kết cấu. Các loại động cơ chế tạo từ gốm kết cấu hệ cacbit đã được nghiên cứu chế thử và mở ra kỷ nguyên mới cho việc sử dụng động cơ chạy bằng nhiên liệu hydro có hiệu quả cao, không gây ô nhiễm môi trường. Gốm thuỷ tinh cũng là một loại gốm kết cấu đầy tiềm năng.
Vật liệu compozit, về thực chất là một kiểu lai, giữa hai hoặc nhiều loại vật liệu, sao cho tính chất của chúng bổ sung cho nhau. Đối với compozit kết cấu thì yêu cầu về độ bền cao, tính dẻo tốt là những yêu cầu hàng đầu. Việc kiểm soát được quá trình xảy ra khi chế tạo compozit có tầm quan trọng đặc biệt để phát triển loại vật liệu này.
Vật liệu chế tạo dụng cụ cắt gọt
Vật liệu sử dụng phổ biến nhất để chế tạo dụng cụ cắt gọt có thành phần là carbide phủ (58%), cermet (28%) và carbide cement hoá (14%). Cermet là hạt gốm được khuếch tán vào nền kim loại. Vật liệu cermet kết hợp đưược đặc tính chịu nhiệt độ cao của gốm với độ dai và độ dẻo của carbide. Với xu thế vươn tới tốc độ gia công và hoàn tất ngày càng cao, các dụng cụ cắt gọt sử dụng cermet ở Nhật Bản chiếm 72% tổng số dụng cụ cermet của toàn thế giới. Các dụng cụ dùng carbide phủ phổ biến nhất có lớp phủ dày 0,5 mm, bao gồm 6-8 micron là TiCN, 2-3 micron là Al2O3 và 0,5 micron TiN ở lớp ngoài cùng. Lớp phủ kim cương sử dụng kỹ thuật kết tủa hơi hoá học (Chemical Vapor Deposition-CVD) cũng đưược áp dụng rất phổ biến ở Nhật Bản. Đầu dụng cụ DC46 phủ kim cương của Mitsubishi có lớp phủ cement hoá. Vấn đề cần khắc phục đối với dụng cụ phủ kim cương là độ bám dính của lớp phủ. Các hãng chế tạo đã áp dụng các phưương pháp cải thiện khác nhau, ví dụ, đối với việc gia công hợp kim nhôm có hàm lượng silic cao (18%), đòi hỏi lớp kim cương dày tới 10 micron, thì vấn đề độ bám dính là hết sức quan trọng.
Vai trò của khoa học vật liệu cũng không hề thay đổi ở kỷ nguyên thông tin ngày nay, nếu không chế tạo được vật liệu silic có độ tinh khiết đến 99,99999% thì sẽ không có chip máy tính, điện thoại tế bào hoặc mạng cáp quang. Những thập kỷ vừa qua, ngành hoá vô cơ đã điều chế được vô số kim loại, hợp kim và gốm, giúp máy bay có thể bay cao hơn và nhanh hơn, giúp ôtô trở nên nhẹ hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn...
Ngày nay, một lần nữa khoa học vật liệu lại đang chuẩn bị biến đổi thế giới. Không thoả mãn với những nguyên vật liệu khai thác được trong lòng đất, các nhà nghiên cứu đang lao vào khám phá và tạo ra các cấu trúc hoàn toàn mới. Họ thực hiện điều đó bằng cách phá vỡ những bức rào ngăn cách giữa hoá hữu cơ và hoá vô cơ, điều mà chỉ cách đây ít lâu vẫn bị coi là giả khoa học (Pseudo-Science). Những hợp chất vô-hữu cơ của ngày mai sẽ được điều chế để phục vụ đúng nhu cầu theo phương pháp từ dưới đi lên, từ nhỏ đến lớn, tức là ghép những nguyên tử hoặc phân tử với nhau để nhận được những tính chất chính xác theo đúng nhu cầu sử dụng. Arden Bemen, một kỹ sư ở trường Đại học Durdue gọi giai đoạn này là buổi bình minh của một kỷ nguyên vật liệu mới, với sự đáp ứng từng nhu cầu sử dụng cụ thể. Kỷ nguyên này sẽ ra đời những loại vật liệu mà ngay cả tạo hoá cũng phải ghen tỵ. Đó sẽ là những chất phun phủ có chứa những hạt gốm vô cùng nhỏ, giúp vật liệu có khả năng chống mài mòn, những dược phẩm và chất dẻo mới, là những pin sắt - polyme có điện lượng lớn gấp đôi so với những loại pin chúng ta dùng hiện nay. Có thể, chúng ta sẽ có được những tấm kim loại - compozit để làm vỏ ôtô có khả năng phục hồi lại hình dáng cũ sau khi bị biến dạng bởi những cú va đập. Sẽ ra đời những vật liệu compozit nhẹ và dai để tăng công suất của động cơ phản lực. Sẽ xuất hiện những vật liệu thông minh, mô phỏng các hệ thống sinh học, có khả năng thích ứng với điều kiện môi trường, bù đắp lượng hao mòn và cảnh báo khi sắp có sự cố. Với kỹ thuật và công nghệ nano, hầu hết các vật liệu mà ta muốn có đều có thể sản xuất ra được - đây là nhận định của W. Lance Haworth, chuyên gia điều hành hoạt động nghiên cứu vật liệu của Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ (NSF). Hay quan điểm của John Weaver, Trưởng khoa Vật liệu của Trường Đại học Illinois: “ý tưởng đặt ra ở đây là khai thác, tìm hiểu những cơ chế phân tử có được nhờ quá trình tiến hoá của tự nhiên để sản xuất những vật liệu mới. Những vật liệu chúng ta sáng chế và sản xuất ra được từ trước tới nay chỉ giống như phần nhìn thấy được của tảng băng trôi, còn phần rất lớn nằm ở bên dưới đang chờ sự phát minh và khám phá, đây chính là lĩnh vực của vật liệu nano”.
Những nước phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Anh, Pháp đã có những công trình nghiên cứu và đã tạo ra được những vật liệu nano ứng dụng vào trong ngành cơ khí chế tạo để chế tạo ra các loại rôbôt mini, các dụng cụ y sinh phục vụ công việc chữa bệnh. Các vật liệu nano khác được sử dụng trong việc chế tạo các loại máy chính xác, máy siêu chính xác, trong ngành hàng không vũ trụ, trong công nghiệp quốc phòng, trong công nghệ khám phá và khai thác tài nguyên biển và đại dương
Những xu hướng phát triển trong ngành cơ khí chế tạo của thế giới đến năm 2030
Những năm đầu của thế kỷ XXI, nhân loại được chứng kiến nhiều biến đổi sâu rộng lớn của thế giới, nhất là sự phát triển như vũ bão của cuộc cách mạng KH&CN hiện đại, mà đặc trưng là các ngành công nghệ cao như công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghệ vật liệu mới - công nghệ nano, công nghệ năng lượng mới, công nghệ hàng không và vũ trụ đang tác động sâu rộng đến mọi lĩnh vực của đời sống, kinh tế, chính trị quốc tế, làm thay đổi diện mạo thế giới đương đại. Trong sự phát triển vĩ đại đó, ngành công nghiệp cơ khí chế tạo đóng vai trò có tính nền tảng và có sự hiện diện hầu như trong tất cả các lĩnh vực kinh tế - xã hội của cộng đồng quốc tế. Chính vì vậy, xu hướng phát triển KH&CN cơ khí chế tạo vẫn được chú trọng và chủ yếu tập trung phát triển một số lĩnh vực sau đây:
Về thiết kế và quy trình gia công chế tạo: Tiếp tục nghiên cứu và nâng cấp hệ CAD/CAM, trong đó chú trọng phát triển các loại phần mềm ứng dụng, phần mềm thông minh tiện lợi trong giao diện người - máy, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong thiết kế và gia công chế tạo. Đến năm 2030, sẽ thay đổi một cách căn bản phương thức thiết kế, các nhà thiết kế chủ yếu làm việc bằng máy tính trực tuyến (On-Line). Thiết kế sản phẩm có sử dụng các vật liệu trí tuệ. Thiết kế và lập kế hoạch chế tạo số và ảo. Phương thức thiết kế theo kiểu môdun cho các hệ thống chế tạo liên tục. Tập trung hơn vào tự động hoá các dây chuyền chế tạo, các quy trình tiên tiến nhất. Phát triển công nghệ gia công ở cấp nano (trong phạm vi 0,1-100 nano) để tạo ra các cấu trúc nano. Chế tạo ở cấp phân tử để tạo dựng các hệ thống từ cấp nguyên tử hoặc phân tử. Tập trung nghiên cứu để tạo ra các công nghệ sử dụng nhiều tri thức để tiến tới chế tạo ra các loại sản phẩm cơ khí gọn, nhẹ ít tiêu hao vật liệu, năng lượng và thân thiện với môi trường. Nghiên cứu phát triển các khái niệm công nghệ gia công mới trên cơ sở hội tụ các công nghệ cao như công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu mới, công nghệ nano, công nghệ sinh học. Nghiên cứu và hoàn thiện hệ thống cảm biến trong công nghệ lắp ráp các sản phẩm phức tạp. Nghiên cứu phát triển công nghệ tự động mới dựa vào ứng dụng giao diện người - máy thông minh có nhận thức. Nghiên cứu các khái niệm rôbôt mới như rôbôt dịch vụ, rôbôt tự thích nghi, rôbôt có nhận thức, các bầy đoàn rôbôt tự quản.
Về vật liệu chế tạo: Tiếp tục nghiên cứu để tạo ra tri thức mới về vật liệu chế tạo chất lượng cao, vật liệu thông minh phục vụ các quy trình chế tạo. Nghiên cứu các vật liệu sử dụng nhiều tri thức với các thuộc tính phù hợp, các vật liệu gốm mới như gốm áp điện, gốm sinh học, màng gốm và vật liệu thuỷ tinh (gốm thuỷ tinh, composit gốm - thuỷ tinh và thuỷ tinh dẫn điện). Nghiên cứu việc sắp xếp trật tự trong các khối đồng nhất polyme. Tiếp tục nghiên cứu công nghệ in litô với các vật liệu mới, tính ổn định của cấu trúc nano 3D. Nghiên cứu sự tích hợp của các mức độ phân tử nano macro trong công nghệ hoá học và các vật liệu gia công công nghiệp. Nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo các vật liệu nano mới, vật liệu sinh học và vật liệu ghép.
Khoa học nano và công nghệ nano: Tiếp tục nghiên cứu khả năng chế tạo các cấu trúc nano phức và siêu hàm lượng cao. Chế tạo các thiết bị nano dưới 20 nm, chế tạo các cấu trúc nano 3D phức hợp và tích hợp đa năng. Phát triển các mô hình tích hợp hàng loạt công nghệ chế tạo nano mới. Nghiên cứu các thiết bị cảm biến cấp nano, tổng hợp ống nano đồng nhất, chế tạo dây nano fulleren và các bảng nano, phát triển các cấu trúc nano từ nhiều loại vật liệu. Nghiên cứu chế tạo các động cơ cỡ nano, máy móc kích cỡ nano.
Về công nghệ chế tạo:Phát triển các hệ thống chế tạo thông minh không giới hạn (Intelligent Manufacturing Systems - IMS). Các hệ thống thông minh (Intelligent System- IS) hứa hẹn rất lớn trong các quy trình chế tạo tự động hoá công nghiệp và các doanh nghiệp trong tương lai. Các hệ thống này đang thu hút được sự quan tâm ngày càng tăng của các ngành công nghiệp và đang được ứng dụng vào toàn bộ phạm vi của các hoạt động chế tạo để tạo được sức cạnh tranh toàn cầu. Giá trị và tác động của các công nghệ IS còn to lớn hơn so với các cuộc cách mạng công nghiệp trước đây, góp phần đưa lại kỷ nguyên mới của các ngành công nghiệp chế tạo. IS được định nghĩa là các hệ thống, trong đó mô phỏng và áp dụng tích cực một số khía cạnh của trí tuệ con người nhằm thực thi nhiệm vụ. Hơn thế nữa, IS còn cố gắng nâng cao năng lực như con người để cảm thụ, suy luận và ra quyết định hành động. IS tạo khả năng cho các máy móc/thiết bị dự đoán được các yêu cầu và ứng phó hữu hiệu trong những hoàn cảnh phức tạp, chưa biết trước và chưa thể dự báo trước.
IMS là chương trình hợp tác R&D trong ngành công nghiệp cơ khí chế tạo ở quy mô toàn cầu. Tham gia vào IMS là các công ty/doanh nghiệp, các nhà cung cấp, người tiêu dùng, các tổ chức nghiên cứu, trường đại học và các Chính phủ của các nước/khối nước là EU, Nhật Bản, Hàn Quốc, Thụy Sỹ và Mỹ. Chương trình gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn 1 từ 1995 đến 2005; giai đoạn 2 từ 2005 trở đi.
Chương trình IMS được thiết lập nhằm phát triển các công nghệ xử lý và công nghệ chế tạo thế hệ kế tiếp. Những hoạt động của IMS bao gồm: Đưa ra khuôn khổ hợp tác nghiên cứu toàn cầu; hỗ trợ thành lập dự án consortium; liên kết mạng lưới toàn cầu; tổ chức các diễn đàn để tìm kiếm và đưa ra những nhu cầu trong ngành công nghiệp chế tạo hiện tại và tương lai; phổ biến các kết quả từ các hoạt động này. IMS được khởi nguồn từ năm 1989 bởi sáng kiến của Giáo sư Hiroyuki Yoshikawa, Giám đốc Đại học Tokyo. Tầm nhìn của IMS là hướng tới một hệ thống toàn cầu về chia sẻ công nghệ và hợp tác công nghiệp trong các dự án hợp tác vì lợi ích nhân loại và lợi ích của các đối tác tham gia. Chương trình IMS bắt đầu từ năm 1995, sau 3 năm nghiên cứu khả thi (1992-1994). Tổng cộng, IMS hoạt động tại 29 nước trên thế giới như là một tổ chức mở cho các thành viên mới và khuyến khích các Chính phủ tham gia.
Trong một thị trường toàn cầu ngày càng hội nhập, sự cạnh tranh không chỉ trong phạm vi các công ty, mà trong các dây chuyền/mạng lưới cung ứng sản phẩm và dịch vụ toàn cầu. Thông qua sự hợp tác quốc tế, IMS tạo cơ hội cho các bên tham gia chuỗi giá trị phát triển và các giải pháp hàng đầu thế giới. IMS đem lại nền tảng hỗ trợ cho nghiên cứu công nghiệp cơ khí chế tạo để chia sẻ những kinh nghiệm tốt nhất, thực tiễn tốt nhất và để phát triển một tầm nhìn toàn cầu toàn diện nhất trong thế kỷ XXI.
Theo TC KHCN
