Produkcja wirtualna oraz korzyści z symulacji procesu produkcji i zachowania się wyrobów

Źródło: Siemens

Symulator wirtualnej hali produkcyjnej umożliwia monitorowanie różnych parametrów procesowych, pozwala ujawnić luki produkcyjne oraz uwydatnić ewentualne braki w zakresie efektywności kosztów, przyczynić się do redukcji emisji dwutlenku węgla oraz, przy zastosowaniu do konkretnego produktu, symulować jego funkcje i działania w świecie rzeczywistym, podczas gdy jest on jeszcze w fazie projektowania.

Kluczem do transformacji produkcji jest rozszerzenie realizacji związanych z nią operacji poza halę fabryczną, dokonywane poprzez wirtualizację funkcji, tworzenie symulacji oraz wykorzystanie tych modeli cyfrowych do uzyskania postępów. Obecnie działy projektowania i montażu w fabrykach muszą poszerzyć obszary swojej działalności i wytwarzać niejako dwa produkty – model wirtualny, który zawiera dokładne, niezaburzone informacje na temat produktu i jego parametrów technicznych, funkcjonalnych oraz jego rzeczywisty odpowiednik fizyczny. Postępujący rozwój technologii cyfrowych umożliwia realizację tych działań we współczesnych zakładach przemysłowych.

Produkcja cyfrowa zwiększa możliwości operatorów, dając im większą elastyczność działań. Mogą oni skalować wielkość produkcji i dostarczać wiele wariantów danego produktu już na wczesnym etapie produkcji. Są to podstawowe czynniki zwiększające przychody z wdrażanych programów produkcyjnych i w ostatecznym rozrachunku zyski firmy. Na początku proces produkcyjny może być wirtualnie określony w centrum prototypów, a następnie przeniesiony do ośrodków, zakładów produkcji masowej, zwiększając elastyczność firmy i jej kontrolę kosztów w odniesieniu do rynku światowego.

Ponadto produkcja cyfrowa daje operatorom miejsce na swobodną wymianę wiedzy projektowej i technicznej. W następnej kolejności produkcja cyfrowa umożliwia skuteczną identyfikację wąskich gardeł produkcji, co pozwala fabrykom zaspokajać największy popyt z optymalnie ustawioną wielkością produkcji.

Pewna francuska firma produkująca wyroby z porcelany, we współpracy z wiodącym międzynarodowym producentem oprogramowania, dokonuje obecnie zmian w procesie produkcji, przenosząc cały proces projektowania i rozwoju wyrobów do chmury obliczeniowej. Celem tej platformy jest odejście od kosztownych praktyk fizycznego prototypowania i umożliwienie producentowi tworzenia i walidacji modeli wirtualnych, które mogą służyć jako punkty odniesienia dla opracowywania rzeczywistych modeli produktów. Francuska firma planuje także digitalizację swojego katalogu – zachowując 150 lat doświadczeń w projektowaniu.

Techniki wirtualnego prototypowania produktów zostały scharakteryzowane przez tę samą technikę szkicu projektu 3D, którą wykorzystał George Lucas do stworzenia Gwiazdy Śmierci w oryginalnym filmie „Gwiezdne Wojny” z 1977 roku. Inżynieria wdrożyła ten proces dalej, zestawiając modele wirtualne z zeskanowanymi próbkami w celu zidentyfikowania odpowiednich materiałów do produkcji wyrobu.

Ponieważ jednak w ostatnich latach zrównoważony ekorozwój stał się kluczowym wskaźnikiem działalności firm, proces testowania i wyboru materiałów musi być uproszczony. Tak więc wirtualne prototypowanie musi wspierać cele ochrony środowiska, zachowując wartościowe zasoby i promując ekorozwój.

Podejście oparte na danych

Po przejściu etapu prototypowania proces produkcji zaczyna borykać się z potrzebą powielenia projektu i funkcjonalności pierwszego produktu. Obecnie wymaga to przeprowadzania drogich audytów jakości, których dokładność jest dyskusyjna.

Wychodzenie naprzeciw temu szczególnemu wyzwaniu będzie wymagało z perspektywy inżynierskiej podejścia opartego na danych. Proces produkcji będzie musiał przechwytywać dane i parametry produktu w trakcie jego tworzenia, a jednocześnie opracowywać, modyfikować model wirtualny, który odzwierciedla produkt fizyczny.

To przygotowuje grunt pod wdrożenie systemu zarządzania specyfikacją produktu (PSM – product specification management), który może wprowadzić jakość, jako część procesu zarządzania cyklem życia produktu (PLM – product lifecycle management).


Pięć etapów tworzenia replik cyfrowych i szybkiego prototypowania

1. Integracja i zbieranie danych Fizyczny sprzęt pomiarowy i do kontroli jakości, taki jak skanery, współrzędnościowe maszyny pomiarowe i mierniki/wskaźniki, może być zintegrowany z czujnikami.

2. Transfer zebranych danych
Przechwytywane dane, w czasie gdy produkt przechodzi przez linię montażową, muszą być przekazywane do warstwy oprogramowania pośredniczącego (middleware).

3. Programowa restrukturyzacja danych Na tym etapie oprogramowanie do zautomatyzowanego projektowania mechanicznego oczyszcza i strukturyzuje zebrane poprzednio dane, tworząc perfekcyjną replikę wykonawczą wyrobu.

4. Przechowywanie repliki w celach referencyjnych oraz jej wykorzystanie
Wykonana replika jest przechowywana w systemie realizacji produkcji (MES) w celach referencyjnych i homologacyjnych (certyfikacja na zgodność z wymaganymi normami).

5. Wykorzystanie oprogramowania CAD i druku 3D do przewidywania potrzeb
Dla celów operacji konserwacji, napraw i remontów (MRO – maintenance, repair and
overhaul
), usieciowione środowisko produkcyjne może wykorzystać dane z oprogramowania typu CAD (computer-aided design, projektowanie wspomagane komputerowo) do niemal „organicznego wzrostu” części pro
dukcyjnych. Etapy te mogą być użyte do wdra-żania szybkich zmian inżynierskich na obiektach/w terenie lub warsztatach. Technologia drukowania trójwymiarowego jest obecnie używana przez wiodących producentów wyposażenia oryginalnego (OEM) z branży lotniczej oraz innych, do usprawniania projektowania oraz operacji produkcji, umożliwiając im dostarczanie wsparcia na poziomie światowym oraz eliminację potrzeby magazynowania narzędzi i części zamiennych.


Ekosystem produkcji

Ideą jest praca nad stworzeniem ekosystemu produkcji, który potrafi tworzyć komponenty i narzędzia według aktualnego i zmieniającego się zapotrzebowania na wyroby w praktycznie wszystkich dziedzinach i obszarach produkcji. Obecnie np. technologie formowania laserowego i dane z projektów cyfrowych są używane do przekształcania materiałów sproszkowanych w złożone konstrukcje lotnicze, takie jak kanały wlotowe i wylotowe silników samolotu Boeing F/A-18E/F Super Hornet. W procesie zwanym selektywnym spiekaniem laserowym wykorzystuje się tytan i inne materiały do drukowania części, zarówno małych, jak i dużych.

Możliwości wykorzystania wirtualizacji produkcji ciągle przybywa. Gdy przedsiębiorstwo używa fizycznych prototypów w kolejnych etapach, iteracjach procesu projektowania, to pewne klasy materiałów, takie jak metale, nie mogą być cyfrowo wyprodukowane lub obrobione przy zachowaniu korzystnych cen. Co jeszcze bardziej istotne, jeśli ostateczny materiał użyty do wyprodukowania wyrobu jest inny niż materiał wykorzystywany na etapie prototypowania, to własności materiału produktu końcowego nie mogą być dokładnie przewidziane, nawet gdy firma wdraża szybkie prototypowanie lub druk 3D.

Jeśli chodzi o projektowanie strukturalne, to zarówno prototypowanie filiżanki do herbaty, jak i samolotu czy samochodu obejmuje ten sam zbiór wyzwań. Dobór materiałów, trwałość i wykonalność projektu będą musiały być dopasowane do wzajemnego oddziaływania produktu z siłami, ciepłem i wibracjami w świecie rzeczywistym. W tym kontekście wirtualna produkcja uzyskała możliwość przeniesienia analizy metodą elementów skończonych (FEA – finite element analysis) na następny poziom. Przykładowo, symulacje spawania, które prezentują naprężenia termiczne i własne w łączonych materiałach, pomogą w optymalizacji projektowania i ustawiania narzędzi oraz parametrów rzeczywistego procesu spawania. Trwają prace działów badawczo-rozwojowych nad opracowaniem oprogramowania FEA do symulacji i prognozowania dla celów automatycznej optymalizacji procesów. Po zintegrowaniu z systemem sterowania w fabryce oprogramowanie takie powinno być w stanie dokonywać ponownej kalibracji narzędzi na hali produkcyjnej w celu dokonania zmian konstrukcyjnych, produkcyjnych czy materiałowych wyrobu bez udziału ludzi.

Cyfrowe bliźniaki symulują wszystko

Przyszłość produkcji wychodzi poza wykorzystanie informacji dotyczących produktu wirtualnego do poprawy jakości fizycznych wyrobów gotowych. Jesteśmy już bowiem blisko praktycznego replikowania całej hali produkcyjnej, przy wykorzystaniu połączonych danych pochodzących z całego ekosystemu produkcji, tworząc jej cyfrowego bliźniaka (digital twin).

Pewien główny konglomerat technologiczny dokonuje obecnie eksploracji tej koncepcji, tworząc symulacje robocze farm wiatrowych w celu przewidywania awarii sprzętu i zwiększenia dziennej produkcji energii o 20%.

Pod tym względem wirtualne uruchamianie umożliwia operatorom kompleksową weryfikację ekorozwoju systemu produkcji poprzez tworzenie wirtualnej fabryki i połączenie jej z rzeczywistym systemem sterowania. Wymaga to pełnego opisania modelu symulacyjnego fabryki, aż do poziomu czujników i elementów wykonawczych. Przez połączenie tego modelu z rzeczywistym systemem sterowania inżynierowie mogą wykryć potencjalne błędy w programach sterujących na długo przed rzeczywistym etapem uruchomienia.

Symulowana hala produkcyjna może monitorować parametry procesów technologicznych i produkcyjnych, ujawniać luki produkcyjne, uwydatniać braki efektywności kosztowej oraz zmniejszać emisję dwutlenku węgla. Ta sama koncepcja może być przeskalowana w dół i zastosowana do produktu będącego w izolacji w celu zrozumienia, jak będzie on funkcjonował w świecie rzeczywistym, bez zabierania go z działu projektowego.


Mayank Pandya jest dyrektorem ds. inżynierii produkcji w firmie L&T Technology Services.