Wirtualna fabryka… Zanim maszyny pójdą w ruch

Warunkiem wejścia na współczesny światowy rynek jest oferowanie innowacyjnych produktów, ale rosnąca presja konkurencyjna wymaga także innowacyjności procesów, a to mogą zapewnić systemy IT wspomagające cyfrową produkcję, potocznie nazywane cyfrową fabryką.
Globalizacja oznaczająca coraz łatwiejszy dostęp do nowych, coraz bardziej konkurencyjnych rynków wymusza na producentach coraz szybsze reagowanie na popyt, coraz krótszy czas wprowadzania produktu na rynek, coraz lepszą jakość, nowatorski design… Czołowe firmy z branży przemysłowej sięgają więc po rozwiązania wspomagające cyfrowe wytwarzanie, które mają im umożliwić podejmowanie racjonalnych decyzji oraz poprawę wydajności wytwarzania przy jednoczesnym obniżeniu kosztów i podniesieniu rentowności inwestycji produkcyjnych.
Cyfrowa produkcja to rozwiązania do projektowania i symulacji zachowania produktu, które zapewniają weryfikację działania produktów oraz technologii ich produkcji i serwisowania, a także poprawę jakości produktów oraz ich walorów estetycznych, a w konsekwencji – zmniejszenie kosztów projektowania i produkcji. Cyfrowa produkcja daje bowiem możliwość wirtualnego stworzenia produktu, zanim zostanie on fizycznie zbudowany, a następnie dokonywania wizualizacji i symulacji jego zachowania w rzeczywistych warunkach – bez konieczności tworzenia kosztownych prototypów fizycznych.
Narzędzia cyfrowej produkcji
Procesy wytwórcze są coraz bardziej złożone i rozproszone. Częste interakcje powodują szybki wzrost liczby projektów, procesów i informacji biznesowych, które rozproszone zespoły muszą następnie uporządkować pod kątem ważności oraz zarządzać nimi przez cały cykl życia produktów.
Narzędzia do cyfrowej produkcji postrzegane są jako segment PLM (Product Lifecycle Management) – systemów do zarządzania cyklem życia produktu, od powstania koncepcji przez fazę projektową i etap produkcji aż po wycofanie produktu z użycia i utylizację. Systemy PLM pomagają szybciej wprowadzać nowe produkty na rynek, w dodatku nie tylko przyspieszają proces realizacji zadań, ale również wpływają na sposób ich wykonania.
Sposób realizacji zadań określa subsegment PLM określany mianem zarządzania procesem produkcyjnym (Manufacturing Process Management – MPM) lub „cyfrową produkcją” (Digital Manufacturing). Z kolei elementem MPM jest zarządzanie definicją produktu (collaborative Product Definition Management – cPDm).
Początkowo motorem napędzającym rozwój MPM były wielkie firmy, głównie ze względu na duże koszty i doświadczenia z wdrażaniem i utrzymaniem systemów. Z czasem rozwiązania przyjęły się w sektorze firm średnich, a obecnie sięgają po nie także mniejsze firmy, które zamierzają konkurować na globalnych rynkach. W podziale wertykalnym zarządzanie procesem produkcyjnym (MPM) jest najbardziej popularne w branżach motoryzacyjnej oraz lotniczej, ale i inne gałęzie przemysłu, np. branża maszynowa czy spożywcza również wykazują coraz większe zainteresowanie.
Rozwiązania do cyfrowej produkcji pomagają radzić sobie z najbardziej skomplikowanymi problemami w dziedzinie modelowania i analiz, począwszy od liniowych i nieliniowych analiz konstrukcji metodą elementów skończonych (FEA) aż do analiz termicznych, ruchowych i wytrzymałościowych oraz oddziaływania przepływu cieczy i gazów na produkt. Użytkownicy mogą importować modele geometryczne z różnych źródeł i łatwo je modyfikować. Oprogramowanie oferuje również funkcje optymalizacji i analiz termomechanicznych typu multi-physics.
Funkcje oprogramowania pomagają skrócić czas przygotowania modeli i przeprowadzenia analiz nawet o 70%. Można np. zasymulować przepływ obrabianego materiału czy ruchy elementów robota ze szczegółową ich optymalizacją bezpośrednio w środowisku trójwymiarowym.
Z punktu widzenia producentów i użytkowników kompleksowa symulacja eliminuje wiele rodzajów ryzyka związanych z innowacyjnymi technikami produkcji. Powoduje to wzrost zaufania do możliwości danego rozwiązania, ułatwia jego wdrożenie i późniejsze szkolenia.
Oferta w Polsce
Na polskim rynku działa wielu dostawców rozwiązań do cyfrowej produkcji, a same rozwiązania są nieustannie rozwijane i modyfikowane. Na przykład Autodesk Factory Design Suite 2014 ma rozbudowane narzędzia do wizualizacji, takie jak Autodesk Showcase oraz Autodesk 3ds Max Design (dla wersji Premium i Ultimate). Fotorealistyczne renderingi 3D czy interaktywne animacje ułatwiają zrozumienie założeń projektowych. Dość unikatową cechą pakietu jest zintegrowane z nim rozwiązanie do zarządzania danymi projektowymi – Autodesk Vault, które jest w stanie zarządzać dokumentacją tworzoną w Factory Design Suite.
– Aby usprawnić współpracę w zespole projektowym oraz z zewnętrznymi uczestnikami projektu, a także aby przyspieszyć dokonywanie przeliczeń, można skorzystać z chmurowych aplikacji uzupełniających. Dzięki usłudze Autodesk 360 plany zakładów produkcyjnych można oglądać online na komputerach stacjonarnych czy za pośrednictwem urządzeń przenośnych – wyjaśnia Andrzej Poćwierz, menedżer ds. rozwiązań Autodesk dla przemysłu.
Z kolei najnowsza wersja oprogramowania NX firmy Siemens (NX 9, premiera w październiku 2013 r.) oferuje nowe możliwości, zwiększające elastyczność działań związanych z rozwojem produktów oraz zapewniające nawet pięciokrotny wzrost wydajności w różnych branżach. Wprowadzono w niej nowe narzędzia, takie jak technologia synchroniczna do obróbki danych 2D, 4GD i pakiet NX Realize Shape (do projektowania powierzchni swobodnych). NX 9 umożliwia także ściślejszą integrację PLM przez środowisko Active Workspace firmy Siemens, a także oferuje udoskonalenia w całym zintegrowanym rozwiązaniu CAD/CAM/CAE. Ulepszenia wprowadzone w NX 9 są odpowiedzią na problemy spotykane w różnych branżach, takich jak motoryzacja, przemysł lotniczy i kosmiczny, budowa statków, projektowanie artykułów powszechnego użytku, budowa maszyn itd.
Nowe narzędzia NX CAE usprawniają proces symulacji termicznej silników samolotowych, według producenta skracając czas konfigurowania skomplikowanych warunków granicznych o 75%. Solwer NX CAE przyspiesza pracę nad wielkoskalowymi modelami, a udoskonalenia oprogramowania NX Nastran (solwera MES) zapewniają skrócenie o połowę czasu symulacji hałasu, wibracji i kultury pracy podzespołu.
Do wytwarzania form i matryc wprowadzono nową funkcję zarządzania regionem obróbki, co skraca czas pracy nad skomplikowanymi częściami nawet o 40% i zapewnia precyzyjną kontrolę nad doborem strategii obróbki. Z kolei funkcja programowania wielu części umożliwia ponowne wykorzystanie raz zaprogramowanych ścieżek maszynowych na potrzeby dowolnej liczby podobnych elementów. Nowy MRL Connect do NX łączy NX CAM bezpośrednio z biblioteką zasobów produkcyjnych (MRL) w Teamcenter, co zapewnia programistom łatwy dostęp do współużytkowanej biblioteki standardowych części, mocowań i szablonów. Rozbudowane funkcje CMM Inspection Programming obsługują już nie tylko bryły, ale także części blaszane, dzięki czemu producenci z branży lotniczej i kosmicznej, a także z branży motoryzacyjnej otrzymali zautomatyzowane rozwiązania do programowania inspekcji.
Przykład: branża spożywcza
W browarze Paulaner wyzwaniem biznesowym było właściwe zwymiarowanie elementów składowych browaru, inwestycja we właściwe wyposażenie, budowa nieprzewymiarowanych, ale wydajnych zakładów produkcyjnych. Co roku browar Paulaner opuszcza ponad dwa miliony hektolitrów napoju, trafiając do ponad 70 krajów świata. Niestety, rozbudowa istniejącego zakładu produkcyjnego – z powodu braku miejsca – nie była możliwa. Ale nawet gdyby była możliwa, wydajność istniejących połączeń transportowych była niewystarczająca do obsłużenia zwiększonych ilości produktu.
Celem spółki Paulaner było także poprawianie kluczowych wskaźników sprawności, w tym wymogów dotyczących ciepła, zużycia energii, zużycia wody i strat ekstraktu, wdrożenie przyjaznych środowisku koncepcji energetycznych oraz upewnienie się, że procesy, przepływ pracy oraz wydajność są zbilansowane i zoptymalizowane.
Aby kontynuować rozwój, Paulaner rozpoczął prace planistyczne nad zlokalizowaniem nowego browaru na obrzeżach Monachium. W celu ułatwienia budowy nowego browaru dostawca usług symulacyjnych – firma iSILOG dostarczyła rozwiązanie przeznaczone dla przemysłu piwowarskiego, wykorzystujące oprogramowanie PlantSimulation z portfela Tecnomatix firmy Siemens Industry Software.
Rozwiązanie to obejmuje obiekty specyficzne dla przemysłu piwowarskiego, jak warzelnia, kadzie fermentacyjne, filtry, tanki pośredniczące (BBT), linie napełniania i składowania. Użycie tych obiektów ułatwia analizę procesu produkcyjnego i dokonanie oceny różnych strategii planowania oraz scenariuszy. Dane wejściowe modelu symulacji definiowane są w arkuszu kalkulacyjnym. Podzielone na różne rejestry, dostępne są wejścia dla popytu konsumenckiego oraz właściwości poszczególnych etapów procesu (warzelnia, fermentacja, filtracja, BBT, napełnianie, magazyn). Korzystając z dodatkowych rejestrów, można określić pojemność kadzi (liczba, rozmiar), dostępność linii napełniania oraz harmonogramy zmianowe dla różnych etapów procesu.
Pracownicy Paulaner mogą korzystać z tej aplikacji bez szczegółowej znajomości zasad tworzenia modelu symulacji – wymagane jest jedynie zdefiniowanie danych wejściowych w arkuszach kalkulacyjnych. Po zaimportowaniu danych do Plant Simulation składowe modelu są generowane i konfigurowane automatycznie, w zależności of rodzaju danych wejściowych. To sprawia, że rozwiązanie jest łatwe w użytkowaniu i umożliwia skuteczne przeanalizowanie wielu różnych scenariuszy w krótkim czasie. Korzystając z tego rozwiązania, zarząd Paulaner jest w stanie ocenić wpływ zachowania procesu stochastycznego (popyt konsumencki, awarie itp.) oraz potwierdzić zasadność inwestowania w kadzie i wyposażenie.
Za pomocą Plant Simulation Paulaner osiągnął pełną kontrolę nad kluczowymi kwestiami, takimi jak określenie istniejących zatorów, rozwinięcie najlepszych strategii w zakresie czyszczenia, przełączeń, wielkości partii, planowania i kontroli produkcji w celu sprostania popytowi konsumenckiemu, zrozumienie ograniczeń nowego browaru w zakresie oczekiwanych produktów oraz popytu, określenie najlepszego sposobu harmonizacji popytu konsumenckiego, dostaw surowców, wielkości partii oraz linii pakowania oraz zrozumienie efektywności różnych strategii sekwencjonowania jako funkcji asortymentu produktowego i ilości.
Przykład: zarządzanie dokumentacją
WUKO SA, łódzki producent nadwozi do pojazdów komunalnych wdraża Autodesk Vault Professional, rozwiązanie usprawniające zarządzanie dokumentacją i danymi projektowymi. Jednocześnie w dziale konstrukcyjnym trwa unifikacja oprogramowania do cyfrowego prototypowania – do najnowszej wersji pakietów Autodesk Product Design Suite Standard oraz Ulitmate. Celem podjętych działań jest przede wszystkim usprawnienie pracy działu konstrukcyjnego poprzez przyspieszenie procesu projektowania oraz obiegu dokumentacji konstrukcyjnej, a także utrzymanie pełnejkontroli nad kolejnymi emisjami dokumentacji projektowej.
Autodesk Vault Professional wybrano ze względu na jego funkcjonalność, która spełnia oczekiwania pracowników w zakresie łatwości implementacji bazy danych projektowych w nowym systemie zarządzania dokumentacją, szybszego i precyzyjnego zarządzania danymi, a także możliwości rozwoju systemu i rozbudowy na inne działy WUKO SA. Dalsze plany rozwoju wdrażanego systemu dotyczą rozszerzenia implementacji na działy technologiczne firmy oraz integrację z systemami klasy ERP.
Co dalej?
Zmieniające się uwarunkowania biznesowe, takie jak zapotrzebowanie na produkty przyjazne dla środowiska, produkcja zgodna z zasadami zrównoważonego rozwoju oraz coraz intensywniejsza konkurencja na globalnych rynkach zmuszają firmy do ciągłego dostosowywania i ulepszania strategii produkcyjnych. Szybsze wprowadzanie produktów na rynek, bardziej efektywne wykorzystywanie inwestycji kapitałowych oraz dostarczanie produktów wysokiej jakości zawsze są podstawą wzrostu i powodzenia, nawet w okresie mniej sprzyjającej koniunktury.
Dlatego cyfrowa produkcja stanie sie niebawem podstawą działania przedsiębiorstw w każdej branży. Rosnącą rolę będą również odgrywać aplikacje umożliwiające współpracę wszystkich podmiotów zaangażowanych w proces rozwojowy. A jak sytuacja wygląda w Polsce?
– Coraz więcej dużych zakładów produkcyjnych zaczyna poszukiwać intuicyjnych, sprawnych narzędzi do tworzenia, wizualizacji oraz optymalizacji ciągów technologicznych. W szczególności są to zakłady z produkcją wielkoseryjną, działające w branży spożywczej, chemicznej, farmaceutycznej oraz logistycznej – uważa Andrzej Poćwierz.
Podobne zdanie ma Mariusz Zabielski, CEO Siemens Industry Software: – W Polsce obserwujemy coraz większe zainteresowanie systemami informatycznymi wspomagającymi cyfrową produkcję, potocznie nazywanymi cyfrową fabryką. W obszarze definicji i projektowania produktów większość polskich firm od lat używa systemów klasy CAx, np. systemów CAD.
Rynek cyfrowej produkcji rozwija się szybciej niż rynki innych kategorii oprogramowania dla przedsiębiorstw – twierdzą analitycy. Cyfrowa produkcja otwiera bowiem drogę do innowacji, błyskawicznego rozwoju i… dominacji w branży.
W artykule zostały wykorzystane materiały od firm: Autodesk oraz Siemens Industry Software. Wymienionym firmom dziękujemy.
CE