Budowanie maszyn przemysłowych do indywidualnych zastosowań

 

Świat ulega cyfryzacji. Nie oznacza to jedynie zmiany w sposobie wykonywania pracy, uczenia się, dokonywania zakupów czy korzystania z rozrywek. Oznacza to zmianę sposobu wytwarzania produktów. Obecnie nawet najmniejsi dostawcy maszyn powinni mieć zdolność budowania modułowych, konfigurowalnych i wielofunkcyjnych konstrukcji dopasowywanych do możliwości produkcyjnych oczekiwanych przez ich klientów. Jednak ten poziom elastyczności utrudnia powtarzalne wykorzystanie projektów, ponieważ każdy klient ma inne specyficzne wymagania, wskutek czego każdy projekt ma charakter indywidualny i jednorazowy. W jaki sposób można zwiększyć tę elastyczność bez zwiększania kosztów?

Producenci maszyn przemysłowych muszą mieć dodatkową możliwość pokazania klientom, jeszcze przed dostawą nowej maszyny, sposobu jej pracy i integracji z innymi systemami. W ten sposób mogą wykazać, że maszyna oferuje wysoką stopę zwrotu z inwestycji i niski całkowity koszt posiadania, do którego dążą wytwórcy produktów. Muszą oni zachować zgodność z coraz większą liczbą przepisów, które obejmują cały cykl życia maszyny, od efektywności energetycznej w użytkowaniu po możliwy koszt ponownego wykorzystania, przetworzenia lub utylizacji – oraz udokumentować, że wszystkie stosowne przepisy zostały spełnione. Ponadto, muszą oni posiadać zdolność do szybszego niż kiedykolwiek budowania i dostarczania tych konstrukcji, aby konkurować z nowymi niskobudżetowymi dostawcami na całym świecie, poświęcając jednocześnie czas na dokładne zrozumienie, czego potrzebuje klient i jak zamierza to wykorzystać.

Aby podołać tym wyzwaniom ze strony klientów, konkurentów i przepisów, producenci maszyn przemysłowych potrzebują zintegrowanych narzędzi, które eliminują działania partykularne, ponieważ brakuje czasu na projektowanie, budowanie i uruchamianie maszyny w oddzielnych krokach, które mają miejsce w różnych działach. Taki sekwencyjny proces nie tylko jest powolny; generuje również ryzyko utraty informacji i pojawiania się błędów za każdym razem, gdy projekt przechodzi z jednego działu do drugiego. Nie odzwierciedla też realiów nowoczesnej produkcji.

Konstrukcje stają się coraz bardziej złożone, mogą posiadać czujnik monitorowania pracy i wydajności maszyny, a połączone tworzą z wielu maszyn zintegrowany system produkcyjny, posiadając przy tym systemy sterowania oparte na oprogramowaniu, jak też fizyczne. Ta złożoność wpływa na konstrukcję fizyczną. Nie można tracić czasu w etapie końcowym na przeprojektowywanie części lub zespołu z powodu braku możliwości prawidłowego podłączenia przewodów i kabli. Gdy już testujemy rzeczywistą maszynę, jest zbyt późno, aby odkryć, na przykład to, że oprogramowanie sterujące nie uwzględnia ograniczeń mechanicznych.

W rzeczywistości tak znaczny udział oprogramowania, automatyzacji i elektroniki w nowoczesnych maszynach sprawia, że uzyskanie prawidłowej konstrukcji wymaga zastosowania mechatronicznej platformy projektowej, której funkcjonalność wykracza poza zwykłe mechaniczne projektowanie CAD. Rozwiązanie problemu będzie często wymagało umiejętności prowadzenia prac wielodyscyplinarnych w tym samym czasie. Można zatem zainwestować w nowe technologie cyfrowe w celu stworzenia magistrali cyfrowej, która łączy wszystkie działy uczestniczące w projekcie i obejmuje każdy etap zbierania wymogów i tworzenia specyfikacji, od projektowania i rozwoju poprzez produkcję i uruchomienie, aż po dostawę, obsługę i monitoring produkcji.

Digitalizacja umożliwia tworzenie cyfrowych wersji inteligentnych, połączonych, indywidualnie projektowanych maszyn, których oczekują klienci. Owe „cyfrowe bliźniaki” (ang. digital twins) stają się przydatne od razu, ponieważ można je wykorzystać do sprzedaży nowej maszyny jeszcze przed jej zbudowaniem. Po uzgodnieniu sprzedaży cyfrową kopię rzeczywistej maszyny można przekazać klientowi, aby mógł on przygotować jej instalację i integrację ze swoimi obecnymi systemami. Producent maszyn przemysłowych w tym czasie może natomiast użyć „cyfrowego bliźniaka” do szybszego budowania maszyn przy jednoczesnym zmniejszeniu liczby błędów lub skali opóźnień w jej uruchomieniu – jest to możliwe, ponieważ posiadamy funkcjonalny model umożliwiający wspólną pracę zespołu mechanicznego, elektrycznego i automatyzacyjnego.

Tworzenie takiego „cyfrowego bliźniaka” wymaga narzędzi projektowania następnej generacji, które sięgają poza projektowanie mechaniczne CAD i obsługują proces wielodyscyplinarny obejmujący: modelowanie, mechatronikę, symulację, testowanie i walidację efektywności. Odpowiednie narzędzia projektowe mogą także ułatwić producentom ponowne wykorzystanie istniejących modułów w nowych unikalnych zleceniach.

Nowe technologie modelowania, takie jak projektowanie generatywne i optymalizacja topologii, prowadzą do uzyskania najlepszych konstrukcji komponentów, stosując ograniczenia, takie jak maksymalne naprężenie, rozmiar, ciężar i skok, usprawniając pracę i podnosząc poziom niezawodności maszyny. Pojedyncze części produkowane za pomocą technologii wytwarzania przyrostowego mogą zastąpić złożone zespoły komponentów precyzyjnych, redukując przy tym ciężar i koszty materiałowe. Technologia synchroniczna (ang. Synchronous Technology) umożliwia szybsze i prostsze tworzenie oraz zmienianie geometrii przy jednoczesnym zachowaniu decyzji projektowych, takich jak dopasowanie punktów montażowych lub równoległości zewnętrznych powierzchni części. Technologia modelowania konwergentnego (ang. Convergent Modelling Technology) pozwala na bezpośrednią pracę z modelami ściankowymi i siatkowymi, bez inżynierii odwrotnej, równolegle do tradycyjnych geometrii CAD. Zamiast każdorazowo projektować podobne części od początku i zwiększać zakres koniecznych do utrzymywania zapasów asortymentowych, można zredukować koszty poprzez wbudowanie istniejących komponentów w nowy projekt lub zaprojektowanie zamiennika, który może być stosowany w wielu projektach.

Projektowanie mechatroniczne, stosowane równolegle ze wspomnianymi narzędziami modelowania, umożliwia szybką walidację koncepcji projektowych. Wczesne eksperymentowanie w cyklu rozwoju produktu daje możliwość nie tylko zapoznania się z wyglądem konstrukcji, ale także sposobem jej działania, dzięki zastosowaniu opartych na zasadach fizyki interaktywnych symulacji przegubów, siłowników, ruchu zachowań kolizyjnych oraz innych własności dynamicznych i kinematycznych.

Na przykład, szybsze prędkości robocze, których chcą klienci, mogą w rzeczywistości obniżyć wydajność produkcyjną, jeżeli przy tych szybszych prędkościach skutkiem poziomu wibracji są niespójności technologiczne lub krótsza żywotność kluczowych komponentów. Pełna symulacja maszyny pracującej z wyższą prędkością ujawni problem, zanim dojdzie do awarii na linii produkcyjnej, a inżynierowie będą w stanie przeprojektować części tak, aby uwzględnić aspekty hałasu i wibracji. Ponowne uruchomienie symulacji pozwoli upewnić się, że nowa konstrukcja może pracować z pełną prędkością. Szczegóły można przekazać inżynierom od walidacji w celu weryfikacji mechanizmów pracy maszyny bez konieczności czekania na nową fizyczną część. Zintegrowane narzędzia, które wykorzystują magistralę cyfrową, umożliwiają podejmowanie kroków w celu doskonalenia maszyny bez spowalniania realizacji całego projektu.

„Cyfrowe bliźniaki” przynoszą korzyści nawet po ukończeniu i dostarczeniu maszyny, ponieważ producenci mogą używać wiernej wersji cyfrowej do zapewniania wszelkiej koniecznej obsługi posprzedażowej w sposób bardziej efektywny pod względem kosztów. Pobieranie informacji z czujników maszyny w celu monitorowania jej pracy umożliwia późniejsze wprowadzanie udoskonaleń, budowanie lojalności wobec marki, zwiększanie przychodów z obsługi, dzięki konserwacji zapobiegawczej i odkrywanie potrzeb klientów, których oni sami nie są jeszcze świadomi. Na kolejnym etapie „cyfrowy bliźniak” może prowadzić do powstania nowego modelu biznesu – dostawcy rozwiązań konsultingowych, którego celem jest zapewnienie klientom uzyskania przez nich odpowiedniej wartości z kosztownej, indywidualnie zaprojektowanej dla nich maszyny poprzez zdalną diagnostykę, wsparcie dla oprogramowania i optymalizację procesu, a tym samym zaoferowanie im kompletnego rozwiązania, którego potrzebują bardziej aniżeli pojedynczej maszyny.

Korzyści płynące z cyfryzacji mogą przełożyć się na znaczny wzrost produkcji, umożliwiając wytwarzanie większej liczby (i bardziej wydajnych) maszyn przy użyciu tych samych zasobów i obniżeniu kosztów lub zwiększenie wydajności przy tych samych kosztach. Należy traktować to jako premię w postaci produktywności cyfrowej, która może wynosić od 6% nawet do 10 % rocznych przychodów. Inwestowanie w narzędzia projektowania następnej generacji konieczne do tworzenia indywidualnie projektowanych maszyn stanowi krok konieczny w celu wyprzedzenia dostawców, którzy nie mogą być tak dynamiczni lub dostarczać dokładnie tego, czego chcą odbiorcy, zapewniając lojalną bazę klientów.

Autor: Frans Adamowicz, Solutions Director, Industrial Machinery & Heavy Equipment, Siemens PLM Software