Производството на детайли в епохата на дигитализация

• Само за броени десетилетия производството на метални и пластмасови изделия измина дългия път от трудоемката ръчна изработка през механизацията до изцяло автоматизираните, свързани и интелигентни индустриални екосистеми
  
  
• Днес ставаме свидетели на това как интелигентната индустрия произвежда и все повече умни по своята същност продукти
  
  
• Животът на всяко промишлено изделие започва с идея. Именно там – в етапа на концептуализиране, намира първите си приложения дигитализацията

Само за броени десетилетия производството на метални и пластмасови изделия измина дългия път от трудоемката ръчна изработка през механизацията до изцяло автоматизираните, свързани и интелигентни индустриални екосистеми. Концепцията за дигитализацията бързо обхвана не само процесите на проектиране, обработващите операции и използваното за целта оборудване, но и самите детайли. Днес ставаме свидетели на това как интелигентната индустрия произвежда и все повече умни по своята същност компоненти. Това е възможно благодарение на комбинация от иновативни технологии и стратегии, опосредствани от масовото популяризиране и възприемане на принципите на четвъртата индустриална революция – изкуствен интелект, машинно самообучение, CAD/CAM, IoT, Big Data, облачни услуги, генеративен дизайн, прогнозно инженерно проектиране и др.

В процеса на генерална трансформация на прашния цех във високотехнологично и дигитализирано работно пространство ключова роля имат фундаментални технологии като роботиката и автоматизацията, добавената и виртуалната реалност, Internet of Things, цифровите двойници и др. Как с тях се изменят работните процеси, оборудването, човешкият фактор и самите изделия – нека разберем!

Пътят на детайла

Животът на всяко промишлено изделие започва с идея. Именно там – в етапа на концептуализиране, намира първите си приложения дигитализацията. Развойните процеси, изпълнявани посредством цифровизирани платформи и инструменти, позволяват спестяване на усилията и труда за довеждането на идеята до работещ прототип чрез купища чертежи, времеемко и съпроводено с множество загуби физическо тестване на различни варианти с цел “изчистване” на съществуващите и потенциални проблеми в дизайна. Така става възможно по-бързото и ефективно разработване на повече продукти с по-висока стойност и по-добро качество с по-малко разходи и ресурси. Допълнително предимство са опциите за почти безкрайно персонализиране, които задоволяват комплексните изисквания на съвременния, детайлно информиран за съществуващите възможности, потребител.

Усъвършенстваните CAD/CAM платформи за проектиране, моделиране и симулация на дизайна на металните и пластмасовите изделия са незаменим помощник на предприятия от всякакъв мащаб в процеса на разработка, а иновации като изкуствения интелект и машинното самообучение елиминират огромен процент от спънките пред успешния продукт още в началната фаза на проектиране. Те позволяват бързо, детайлно и автоматизирано генериране на прецизни триизмерни модели на компонентите, сглобките и цялостните системи, които е необходимо да бъдат произведени.

Логично възниква въпросът как да бъде оптимизиран и самият идеен процес, не само за да се спестят усилия, но за да се разгледат и всички налични технологични възможности. Тук на помощ идва генеративният дизайн, който елиминира необходимостта от изготвяне на широка концепция за това как да изглежда и как да бъде конструиран един детайл, а изисква само спецификация за това какво е необходимо да прави. Така не е нужно приложенията да се моделират спрямо съществуващите инструменти за реализацията им. Оптималното решение за всяка потребност идва в готов вид след задаване на прости параметри като единична цена, размери, минимално или максимално тегло, товароносимост или издръжливост на различни въздействия, както и достъпни технологични процеси за производството му.

Революционните софтуерни платформи за генеративно проектиране предлагат различни възможности по отношение на материалите за изработка, конструктивните елементи и всякакви други променливи в проекта, заедно с оценка за приложимостта, недостатъците и предимствата им.
Все повече съвременни производители на метални или пластмасови изделия възприемат т. нар. DFM методология или “дизайн с оглед на оптималната производимост”.

Тя е базирана на дигитално опосредствано и фрагментарно усъвършенстване на всеки аспект на дадения компонент, детайл или цялостен продукт с цел по-лесната му и рентабилна изработка.

В разработката на по-комплексни системи, включващи интелигентни части и подсистеми, се налага и т. нар. прогнозен аналитичен инженеринг – подход за въвеждане и интегриране на свързани софтуерни платформи за колаборативно виртуално моделиране, симулация и тестване на разнообразни варианти от отделни екипи, които могат да бъдат ситуирани в напълно различни локации.

Виртуалният развой и изпитване все по-масово заместват дори най-предпочитаните доскоро стратегии за бързо прототипиране чрез физически методи за адитивно производство с цел по-бърза и евтина изработка на прототипните версии на детайлите.

На принципа на дигиталните близнаци, и дигиталните прототипи могат напълно да заместят своите действителни двойници, като гарантират, че развойният процес се адаптира и изменя въз основа на данните от реално проведени виртуални тестове и симулации вместо на база догадки или скъпи и тромави процедури по физическо изпитване. С помощта на инструменти за добавена и смесена реалност дизайнерите могат в изключително реалистичен режим не само да видят продукта, но и да взаимодействат с прототипа, за да проверят различни негови функции и характеристики, открият и елиминират потенциални проблеми, преди да са възникнали във физическия свят.

Интелигентни системи за производство на интелигентни детайли

След етапа на концептуализиране и разработка на даден детайл идва и фазата на реално производство. В епохата на Industry 4.0 за тази цел вместо отделни машини все по-често се използват интелигентни и свързани кибер-физични системи, оборудвани със сензори, контролери, измервателни инструменти и разнообразни комуникационни средства, изчислителни и аналитични възможности, които позволяват високоавтоматизирано, координирано и прецизно изпълнение на технологичните операции. Перфектната взаимосвързаност между отделните елементи на екосистемата (устройства, инструменти, машини, работни станции, роботи, транспортни системи, поточни линии и персонал) позволява оптимална мащабируемост, автономност, адаптируемост и интеграция на производството. Така е възможна гъвкава реорганизация на процесите по цялата верига на доставките спрямо потребностите в реално време с цел максимизиране на ефективността, рентабилността, безопасността и качеството.

В какво обаче се изразява идеята за интелигентност при самите детайли, която споменахме по-рано? Благодарение на относително прости технологии, като сензори, тагове за радиочестотна комуникация, уникални идентификационни кодове, умни маркировки/опаковки и др., модерните индустриални изделия вече сами разполагат с информация за това кога, как, с какви методи, материали, инструменти и операции са произведени, къде е необходимо да бъдат доставени, как е заложено да бъдат използвани и т. н. Нещо повече – те могат да я споделят, когато това е необходимо, активно да комуникират с хората и средата и дори автономно да реагират и да се адаптират към различни промени.

Специфичната добавена стойност на умните изделия се крие именно в данните – най-ценният капитал на високотехнологичното производство. Когато не само системата, която го произвежда, но и самият детайл е интелигентен, протича многопосочен процес на комуникация, който позволява на продуктите самостоятелно да осъществяват мониторинг и диагностика на статуса, състоянието и дори работата си чрез своеобразно “контекстно осъзнаване”.

С неизчерпаемите и огромни по обем информационни потоци в модерната индустрия обаче е свързано едно сериозно предизвикателство – голяма част от автоматично събираните данни (най-често за функционирането на машините – енергопотребление, температура, вибрации, шум и др.) имат изключително ниска стойност, а малък процент от тях са с много висока. Как обаче би могло да стане филтрирането, за да се изолира информацията за определен детайл, без за това да коства на предприятията прекалено много ресурси? В обикновените цехове това вероятно не би било възможно. В дигитализираните производства, боравещи с цифрови двойници на действителните продукти и системи, това се случва буквално по подразбиране. Така едно пластмасово или метално изделие е проследимо, самодостатъчно и носи стойност, където и в рамките на жизнения си цикъл да се намира – опаковано или разопаковано, интегрирано в оборудване, далеч от листовката си с техническа информация, дори и изведено от експлоатация или повредено.

Тенденциите, които промениха всичко

Когато правим преглед на глобалните технологични тенденции, които промениха облика на съвременната индустрия и проправиха път за интелигентните фабрики на бъдещето, неминуемо трябва да започнем с автоматизацията и роботиката. Ролята на тези иновации за еволюцията в изработката на метални и пластмасови изделия е също толкова фундаментална, колкото и във всеки друг сегмент на модерното машиностроене и промишленото производство в цялост.

И макар роботи да се използват в индустрията вече повече от половин век, до неотдавна те бяха прекалено тромави и ограничени, за да сторят повече от това да заместят човека в изпълнението на тежките, рискови и повторяеми операции. Високотехнологичните “виждащи”, “усещащи” и “мислещи” роботизирани системи в наши дни обаче позволяват бърза, прецизна, високопроизводителна и безопасна работа дори в колаборативни приложения. Именно в колаборацията се крие вратичката към следващото ниво на играта – наближаващата пета индустриална революция, която интерпретира концепцията за ефективност и устойчивост през призмата на екипното взаимодействие между човека и машините.

В рамките на този преход технологичните системи стават все по-гъвкави, адаптивни и отзивчиви благодарение на интегрираните в тях сензори, IoT устройства и други интелигентни елементи, за да могат да предоставят необходимите данни за работата си в реално време. На същия принцип, веднъж произведени и интегрирани в съответното оборудване, продължават да функционират по време на оставащия си жизнен цикъл и интелигентните детайли, а това позволява стриктното им контролиране и проследяване.

Да не пропускаме и изключително интересната и все по-популярна тенденция за “онлайн” производство на компоненти и изделия. Тази концепция позволява на множество компании и потребители – разработчици, производители, доставчици на продукти и услуги, търговци, дистрибутори, системни интегратори, клиенти и други контрагенти по веригата на доставките – да обединят информационните си ресурси в единна виртуална платформа, например уебсайт или портал. Обикновено това включва популяризиране сред участващите в колаборацията заинтересовани страни на данни за потребности, наличности, цени, поръчки, каталози, промоции, материали и какво ли още не. Чрез подобна дигитална оркестрация и интеграция на процесите се постигат много по-ефективно и изгодно за отделните страни участие и по-бързи и таргетирани заявки и доставки.

Този клиентски ориентиран бизнес модел за споделяне на производствен капацитет и ресурси обикновено се реализира чрез облачно базирана платформа, която да обезпечи участието на повече от една компания, както и децентрализираното, но синхронизирано управление на процесите. За да е възможно включването на едно предприятие в подобна екосистема, е необходимо то да разполага със съответните кибер-физични производствени системи с облачна функционалност.

Облачните технологии носят множество ползи за производителите на детайли и изделия, независимо от технологичните операции, които използват – механична (субтрактивна, чрез отнемане на материал), адитивна или хибридна обработка, леене под налягане, формоване, екструзия и т. н. Облачните платформи, за чието експлоатиране и поддържане не се изисква закупуване и обслужване на съответния сървърен и изчислителен капацитет, а се заплаща единство такса или абонамент за използване под формата на услуга, позволяват дигитализиране на информацията, събиране, обработка и анализ на данните за производствените системи и изработваните продукти, както и извличане на ценна бизнес стойност за компаниите.

В помощ на бизнеса по модела “като услуга” (as-a-service) се предлагат и много други софтуерни и хардуерни технологии, както и цялостни решения, включително роботи, металообработващи машини, центрове за данни, проектиране, инженеринг, техническа поддръжка и т. н. Така всяка компания може да прецени кои аспекти от производството на детайли спадат към вътрешната й експертиза и кои да “аутсорсне”, като ги възложи на външен изпълнител и да се възползва от капацитета му в дадена област под формата на услуга.