DOE (Design of Experiments) là gì? Các bước tiến hành Thiết Kế Thử Nghiệm

Để tối ưu hóa quá trình sản xuất hoặc cải thiện chất lượng sản phẩm. Hiện nay các doanh nghiệp sản xuất thường ứng dụng DOE – Thiết kế thử nghiệm để đưa ra quyết định chuẩn xác loại bỏ yếu tố cảm tính và kinh nghiệm. Đây là một công cụ mạnh mẽ giúp cải thiện chất lượng đầu ra có được sản phẩm tối ưu. Bài viết này diendaniso.com xin chia sẻ đến bạn về ứng dụng DoE (Design of Experiments) trong lĩnh vực R&D, kỹ thuật hay quản lý sản xuất.

KHÁI NIỆM DOE – DESIGN OF EXPERIMENTS

Thiết kế thử nghiệm hay Design Of Experiment (DOE) được định nghĩa là một nhánh của thống kê ứng dụng liên quan đến việc lập kế hoạch, tiến hành, phân tích và giải thích các thử nghiệm có kiểm soát để đánh giá các yếu tố kiểm soát giá trị của một tham số hoặc một nhóm tham số. Nó cho phép thực hiện các biến đầu vào khác nhau (Yếu tố – Factor) để xác định ảnh hưởng của chúng có thể như thế nào để đạt được đầu ra mong muốn (Phản hồi – Response) hoặc cải thiện kết quả.

DOE có thể giúp doanh nghiệp xác định các tương tác quan trọng có thể bị bỏ sót khi thử nghiệm với một yếu tố tại một thời điểm. Thiết kế thử nghiệm DOE là một công cụ của Six Sigma đang được áp dụng tại các doanh nghiệp sản xuất hiện nay nhất là trong bộ phận R&D, kỹ thuật hay quản lý sản xuất.

DoE giúp bạn trả lời những câu hỏi như:

• Những yếu tố nào ảnh hưởng nhiều nhất đến kết quả đầu ra?
• Làm thế nào để kết hợp các yếu tố đó để có kết quả tối ưu?
• Có mối tương tác nào giữa các yếu tố không?
• Thay đổi điều kiện nào sẽ mang lại hiệu quả cao nhất?

CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA DOE 

Phương pháp thiết kế thử nghiệm DoE này bắt nguồn từ nền tảng của những phương pháp thống kê hiện đại mà nổi bật lên chính là nhà thống kê học R.A. Fisher vào đầu thế kỷ 20. Những quan điểm của ông chính là nhấn mạnh vào tầm quan trọng của việc lập kế hoạch cẩn thận trước khi tiến hành thử nghiệm để tránh những sai sót trong quá trình phân tích dữ liệu.

Khi xây dựng một thử nghiệm, ba yếu tố cốt lõi cần được chú ý bao gồm: chặn (blocking), ngẫu nhiên hóa (randomization) và lặp lại (replication).

• Chặn: Chặn cho phép nhóm các điều kiện tương tự lại với nhau, giúp kiểm soát sự biến động do các yếu tố không mong muốn gây ra. Ví dụ, bạn có thể thực hiện tất cả các thử nghiệm trong cùng một điều kiện trước khi chuyển sang điều kiện khác.
• Ngẫu nhiên hóa: Là cách bố trí thứ tự thực hiện các thử nghiệm một cách ngẫu nhiên để giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố không kiểm soát được. Việc ngẫu nhiên hóa giúp đảm bảo rằng kết quả không bị thiên lệch do yếu tố môi trường hoặc các điều kiện bên ngoài.
• Lặp lại: Đây chính là quá trình thực hiện lại cùng một điều kiện thử nghiệm nhiều lần. Việc lặp lại giúp đánh giá tính ổn định của kết quả từ đó gia tăng độ uy tín cho các phân tích thống kê.

Quy trình lặp lại trong thiết kế thử nghiệm

Thiết kế thử nghiệm thường được triển khai theo cách tiếp cận từng bước, với mục tiêu dần dần khám phá và tối ưu hóa quy trình. Các bước phổ biến bao gồm:

• Thiết kế sàng lọc (Screening Design): Nhằm xác định các yếu tố có ảnh hưởng lớn đến kết quả và loại bỏ những yếu tố ít tác động.
• Thiết kế giai thừa đầy đủ (Full Factorial Design): Xem xét tất cả các tổ hợp giữa các yếu tố và mức độ, từ đó xác định vùng giá trị gần tối ưu.
• Thiết kế bề mặt phản hồi (Response Surface Methodology): Dùng để mô hình hóa mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra, qua đó tìm ra điểm tối ưu nhất.

TẦM QUAN TRỌNG CỦA DOE TRONG SẢN XUẤT SẢN PHẨM

Hiện nay trong quá trình sản xuất thì bộ công cụ DoE – Design of Experiments được xem như là một công cụ mạnh mẽ giúp các doanh nghiệp và tổ chức tối ưu hóa hoạt động của mình. DOE được coi như là bước đầu thử nghiệm cho ra đời những dòng sản phẩm chuẩn sau này đưa vào thị trường.

• Tối ưu hóa quy trình một cách thông minh

Với việc xác định chính xác những yếu tố thực sự có ảnh hưởng đến các kết quả đầu ra. Từ đó bạn có thể điều chỉnh được quy trình một cách tối ưu từ đó giúp giảm thiểu tối đa các lãng phí và rút ngắn được thời gian đồng thời nâng cao hiệu suất.

• Cải thiện chất lượng sản phẩm từ gốc

Với việc thể hiện được chất lượng giữa các biến thể đầu vào cũng như đầu ra đều được ổn định đồng thời đạt được tiêu chuẩn cao. DoE chính là công cụ giúp bạn thiết lập được công thức lý tưởng này.

• Tiết kiệm chi phí và thời gian

Với việc áp dụng DoE thì bạn cũng sẽ có thể rút ngắn được khả năng số lượng cần thiết và vẫn đảm bảo được độ chính xác cao hơn. Đây là điều mà mọi tổ chức sản xuất đều muốn hướng đến. Vừa cắt giảm chi phí vật tư và nhân công.

• Xác định nguyên nhân gốc rễ của vấn đề

Với những sự cố không như mong đợi hoặc quy trình đạt được chất lượng không như mong đợi. Việc áp dụng DOE có thể giúp xác định được tốt các nguyên nhân gốc rễ của vấn đề. Từ đó, doanh nghiệp có thể đưa ra giải pháp chính xác và bền vững hơn.

• Ra quyết định dựa trên dữ liệu thay vì cảm tính

Thay vì doanh nghiệp bạn thực hiện theo kinh nghiệm hay “đoán mò”, DoE mang đến một nền tảng khoa học và số liệu cụ thể để bạn đưa ra quyết định. Việc này giúp hạn chế rủi ro và tăng độ tin cậy cho mọi chiến lược cải tiến.

• Gia tăng lợi thế cạnh tranh trên thị trường

Những doanh nghiệp áp dụng DoE thường nhanh nhạy hơn trong việc cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng dịch vụ và đáp ứng tốt hơn kỳ vọng của khách hàng. Đây chính là yếu tố giúp họ dẫn đầu trong cuộc đua cạnh tranh.

>>> Quản lí trực quan là gì ? Các công cụ quản lý trực quan

ỨNG DỤNG CÔNG CỤ DOE TRONG DOANH NGHIỆP SẢN XUẤT

Có thể thấy được DOE – Thiết kế thử nghiệm hiện nay được ứng dụng khá nhiều trong các doanh nghiệp sản xuất. Nhờ DoE, Bạn có thể kiểm soát cũng như cải thiến được hệ thống quy trình một cách khoa học, chính xác và hiệu quả hơn. Một số ngành điển hình được áp dụng có thể kể đến như sau:

Trong sản xuất công nghiệp

• Ngành ô tô

Trong ngành sản xuất oto hiện nay có thể tiến hành áp dụng DoE vào một số khâu thử nghiệm như phát triển thử nghiệm nước sơn mới. Thay vì kinh nghiệm cá nhân và cảm tính thì với việc sử dụng DoE bạn có thể phối hợp với các yếu tố như loại sơn lót, thời gian và nhiệt độ sây. Bạn có thể nhanh chóng xác định được công thức tối ưu để lớp sơn vừa đẹp vừa bền.

• Sản xuất vi mạch

Trong ngành chế tạo chip bán dẫn – nơi mà từng vi mạch cũng cực kì quan trọng. Công cụ DoE chính là trợ thủ đắc lực để kiểm soát quy trình. Bạn có thể điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, loại hóa chất và thời gian xử lý để giảm lỗi sản phẩm và tăng hiệu suất sản xuất. Không còn thực hiện theo cảm tính cá nhân vì đã có dữ liệu rõ ràng.

• Trong ngành thực phẩm

Chúng ta có thể lấy ví dụ trong việc Ủ bia chuẩn vị:  Các nhà sản xuất bia cũng dựa vào DoE để thử nghiệm các công thức ủ khác nhau: từ loại hoa houblon, loại men, nhiệt độ lên men cho tới thời gian. Nhờ đó, họ tìm ra được cách tạo nên loại bia vừa đậm đà, vừa độc đáo – đúng gu khách hàng.

• Trong ngành dược phẩm

Nghiên cứu thuốc và vaccine: khi phát triển một loại thuốc hoặc vaccine mới, việc xác định liều lượng, thời điểm dùng, hay thành phần tối ưu là cực kỳ quan trọng. DoE giúp các nhà khoa học thiết kế thí nghiệm lâm sàng một cách thông minh, không bỏ sót yếu tố quan trọng, đồng thời giảm thời gian và chi phí nghiên cứu.

• Trong nông nghiệp

Trồng trọt hiệu quả hơn: Một nông dân muốn tìm ra cách trồng cây đạt năng suất cao. Thay vì thử nghiệm theo kiểu “cảm tính“, họ có thể dùng DoE để thử nghiệm các tổ hợp phân bón, nước tưới, giống cây và điều kiện đất. Kết quả là năng suất tăng, chi phí giảm – và tất cả đều dựa trên dữ liệu thực nghiệm.

Chăn nuôi khoa học: Tương tự, DoE cũng giúp các trang trại xác định khẩu phần ăn, thuốc thú y và điều kiện chăm sóc phù hợp cho từng giống vật nuôi. Nhờ đó, sức khỏe và năng suất đàn vật nuôi được cải thiện rõ rệt.

• Trong lĩnh vực dịch vụ

Một doanh nghiệp dịch vụ muốn hiểu khách hàng hơn? Họ có thể thử nghiệm các yếu tố như thời gian phản hồi, cách nói chuyện của nhân viên, hay trải nghiệm trên website. DoE giúp xác định điều gì thực sự tạo ra sự hài lòng – thay vì chỉ đoán dựa trên cảm nhận.

QUY TRÌNH 6 BƯỚC TRONG THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM

Theo đó thì quy trình DOE chuẩn sẽ thường có cấu trúc 6 bước cơ bản. Những bước này được thực hiện trình tự có thể giúp bạn xác định được phản ứng tốt nhất, nơi làm việc hoặc quy trình sản xuất của doanh nghiệp bạn:

• Mô tả – Phần đầu này giúp bạn xác định được các mục tiêu mà bạn muốn hướng đến cho sản phẩm của mình. sau đó là xác định phản hồi mong muốn của bạn là gì. Bước đầu tiên bao gồm xác định mục tiêu, phản hồi mong muốn và các yếu tố.
• Chỉ định – Tiếp theo đó bạn tiến hành chỉ định các biến số nào mô tả tình huống vật lý hoặc các yếu tố.
• Thiết kế – Tiếp theo phần này bạn cần tạo ra một mô hình thiết kế thử nghiệm từ đó sẽ rút ra những đánh giá sau khi chạy hoặc thử nghiệm.
• Thu thập – đây là phần bạn thực hiện thiết kế, thu thập thông tin từ các lần chạy và ghi lại các phản hồi bạn nhận được.
• Phù hợp – đây là phần bạn xem xét các phản hồi xem chúng có phù hợp với mô hình thiết kế thử nghiệm đã tạo hay không. Trong một số trường hợp, cần lặp lại các lần chạy để sửa lỗi mơ hồ của mô hình.
• Dự đoán – bước cuối cùng trong đó bạn dự đoán kết quả và xác định yếu tố nào tối ưu hóa phản ứng tốt nhất.

>> Chuẩn hoá qui trình (Standardized work) là gì?

Kết luận

Có thể thấy được Design of Experiments (DOE) là một trong những bộ công cụ mạnh mẽ nhằm hỗ trợ cho hoạt động sản xuât của doanh nghiệp. Một nhà thí nghiệm hiệu quả có thể lọc bỏ nhiễu và khám phá các yếu tố quan trọng của một quy trình. Các yếu tố sau đó có thể được sử dụng để kiểm soát các thuộc tính phản hồi (kết quả mong muốn) trong một quy trình. Đội nhóm có thể thiết kế một quy trình theo đúng tiêu chuẩn của sản phẩm hoặc yêu cầu từ khách hàng.