Digital Manufacturing in de Maakindustrie

Transcriptie

1 Digital Manufacturing in de Maakindustrie ABSTRACT Digital Manufacturing in de Maakindustrie behelst het digitaal ter beschikking hebben van real time informatie doorheen de hele productieketen. De paper wenst inspirerend te werken en beschrijft daartoe kort enkele mogelijke digitale hulpmiddelen voor de keten van klantenvraag tot uitgaande bestelling. Een technologie bij uitstek voor Digital Manufacturing is 3D Printing. Wat is Digital Manufacturing? Zoals de term reeds doet vermoeden, gaat Digital Manufacturing in de Maakindustrie over het gebruik van digitale hulpmiddelen in de productieomgeving. Het concept van digital manufacturing is om informatie zo lang mogelijk digitaal te houden zodat leverbetrouwbaarheid, flexibiliteit en snelheid toeneemt. Digitale informatie in een centrale database kan snel vanuit de verschillende bedrijfsafdelingen geraadpleegd en aangevuld worden. De gehele onderneming werkt met eenzelfde dataset die bovendien een real time weergave is van de werkelijkheid. In deze paper worden kort enkele digitale hulpmiddelen voor de keten van klantenvraag tot uitgaande bestelling aangehaald. 1. Offertefase Op het ogenblik dat een klantenvraag binnenkomt, dient zo snel mogelijk een accurate oplossing voorgesteld te worden. Voor bedrijven met een eigen product betekent dit vaak dat op basis van een gewenste functionaliteit een gepast product dient samengesteld worden. Als digitaal hulpmiddel kan hiervoor een productconfigurator ingezet worden. Bekende voorbeelden van zulke configuratoren zijn terug te vinden bij Dell, samenstellen van een gepersonaliseerde computer, en Ikea, samenstellen van een keuken. Wanneer een product volledig nieuw dient ontworpen te worden, staan virtual engineering systemen (digital product testing, finite element modelling, ) ter beschikking. Uiteindelijke betrachting is de klant een correcte prijsofferte en levertermijn voor zijn oplossing te bieden. Materiaalbewerkende bedrijven ontvangen van de klant in het beste geval een digitaal 3D model maar vaak enkel een papieren 2D tekening of schets met de vraag naar kost en levertermijn. Deze bedrijven kunnen beroep doen op een rekenkundig model voor kostenraming. Dit model, gebaseerd op historische data, vereist de input van slechts enkele kritische producteisen om te komen tot een geschatte productiekost. Deze methode is snel maar dan ook niet 100% nauwkeurig. Indien nauwkeurigheid cruciaal is, kan men beroep doen op simulatiesoftware om virtueel het product te produceren en zo de correcte productietijden aan het licht te brengen. Kostenraming via regressieanalyse Regressieanalyse is een veelgebruikte, statistisch onderbouwde techniek, die ondermeer ingezet wordt voor trendanalyse, voorspellingen, modellering van systemen, enz. Ook voor kostenraming is deze techniek uitermate geschikt. Het gehanteerde principe is dat de kost van een nieuw werkstuk geraamd kan worden aan de hand van werkstukken die in het verleden geproduceerd werden en waarvan de kost gekend is. Men gaat dus kennis over de kost van een werkstuk distilleren uit een historische dataset. Digital Manufacturing in de Maakindustrie 1

2 Bij regressieanalyse start men altijd van een lijst met variabelen waarvan men denkt dat ze de kost van het werkstuk beïnvloeden. Voor freesstukken bijvoorbeeld kan men ervan uitgaan dat de kost bepaald wordt door de gereedschappen, het materiaal, de afmetingen, het aantal speciale vormelementen, de kleur van het werkstuk, enz. Vervolgens verzamelt men een dataset met werkstukken die in het verleden geproduceerd werden en waarvan de productiekost gekend is (bijv. bepaald via nacalculatie). Op deze historische dataset van werkstukken wordt een aantal statistische testen uitgevoerd om de significante variabelen te distilleren uit de initiële lijst. De kleur van het werkstuk bijvoorbeeld beïnvloedt de productiekost van een freesstuk niet. De overblijvende, significante variabelen worden dan gecombineerd in een wiskundige relatie die toelaat om de kost te ramen. Op een statistisch onderbouwde manier heeft men zo een relatie opgesteld die toelaat om de productiekost van het werkstuk voldoende nauwkeurig te ramen binnen een afzienbare tijd. De techniek van regressieanalyse om de productiekost van een werkstuk te bepalen is al succesvol toegepast voor plaatwerkstukken, buizenwerk, keramische tegels,... Andere potentiële toepassingen kan men vinden bij draaien, frezen, compleetbewerken, enz. De gemiddelde afwijking die men behaalt tussen de werkelijke berekende kost en de geraamde kost schommelt rond 5 à 10 procent. 2. Bestelling verwerken Zodra de klant een bestelling plaatst, kan dit ingegeven worden in het ERP (Enterprise Resource Planning) systeem. Deze software centraliseert de administratieve afhandeling van het order en stuurt de productieplanning. Indien de bestelling een onderaanneming of bijkomende materialen vereist, zullen hiervoor automatisch bestelbonnen gegenereerd en verstuurd worden. Door gebruik te maken van real time informatie/data kan het ERP systeem flessenhalzen in productie voorspellen en ter preventie alternatieve routings voorstellen. Dit wordt High Resolution Production Management genoemd. High Resolution Production Management verhoogt de responsiviteit van de productie De planningssystemen van de toekomst zullen zich automatisch aanpassen op basis van real-time informatie en geconfigureerd worden als een cascaderegelsysteem. In een dergelijk systeem neemt elk planningsniveau, op basis van regelmatige en gedetailleerde feedback, de nodige maatregelen op het vlak van capaciteitsaanpassing en ordervolgorde. Het gebruik van feedback van actuele productiegegevens in het planningsysteem heeft als groot voordeel dat de belangrijke parameters (zoals productietijden) van het planningsysteem veel beter kunnen worden ingesteld. Veel bestaande planningsystemen vertrekken nu vaak van verkeerde planningsgegevens (zoals doorlooptijd) die quasi nooit worden herzien. De meest geavanceerde systemen die vandaag op de markt zijn (APS - Planning en Scheduling) berekenen nu enkel de meest optimale ordervolgorde. Hierdoor missen ze de voornaamste hefboom om de fluctuaties in de productie te regelen, namelijk het aanpassen van de productiecapaciteit. Relatief kleine capaciteitsaanpassingen kunnen immers al een grote impact hebben op de performantie van een productiesysteem. Cruciaal bij dit alles is dat de informatie voldoende gedetailleerd en quasi real-time ('high-resolution') is, zodat snel specifieke maatregelen kunnen worden genomen om de afwijkingen bij te sturen. Digital Manufacturing in de Maakindustrie 2

3 3. Werkvoorbereiding In vele gevallen omvat de werkvoorbereiding het genereren van werkorders voor de verschillende productieposten binnen de onderneming. Het ERP systeem kan dit volledig voor zijn rekening nemen. Bij materiaalbewerkende ondernemingen bestaat de werkvoorbereiding ook uit het aanmaken van machineprogramma s waarbij ook uitgangsmateriaal, gereedschappen en opspanmiddelen bepaald worden. Ook hiervoor kan men beroep doen op verschillende softwaresytemen. CAM (Computer Aided Manufacturing) software laat toe om gereedschapsbanen te berekenen en simuleren voor een specifieke bewerkingsmachine. Gereedschapsbeheersystemen bevatten een digitaal magazijn opdat gereedschappen en opspanmiddelen (tooling) kunnen geïmporteerd worden binnen de CAM omgeving. Simulatiesoftware laat toe om het machineprogramma in de virtuele wereld te controleren op botsingen en afwerkingsgraad van het product. Vanuit de CAM omgeving worden bijgevolg zowel geverifieerde machineprogramma s als gereedschaps- en toolinglijsten gegeneerd. Deze digitale informatie wordt gekoppeld aan de producttekening en aangeboden aan productie. Virtuele gereedschapsmachine: van vereenvoudigde naar complete, zeer realistische modellen Virtuele machines evolueren naar een virtueel complete en perfecte 3D-machineomgeving, waarvan de configuratie en functionaliteit 100 procent overeenkomt met de werkelijke machine: een accuraat 3D-model samen met de complete kinematica, dynamische waarden en PLC-functionaliteit van de machine. Hierdoor plant, controleert en optimaliseert de gebruiker zijn complexe meerassige processen onder de reële condities. Ze simuleren de dynamica van de assen en de procedures van de I/O-functies, omvatten fabrikantspecifieke settings van machineparameters en de uiteenlopende CNC-functionaliteit, evenals de PLC-controle voor de pallet- en toolwissels. Een real-time 3Dsimulatie zorgt voor een 100 procent zekere botsingsdetectie, voorkomt schade aan de spindel, optimaliseert de processen en zorgt voor een verhoogde beschikbaarheid door een minimale setuptijd. Hiervoor moeten 3D-modellen van product en tools (bijv. opspanning of gereedschap) natuurlijk wel beschikbaar zijn. Digital Manufacturing in de Maakindustrie 3

4 4. Productie Binnen de productie is het cruciaal om de juiste informatie op het juiste ogenblik op de juiste plaats ter beschikking te hebben. Het betreft niet enkel informatie over het product of operatie, bv. machineprogramma s en benodigde materialen, maar ook informatie over de huidige stand van het productieproces, bv. beschikbaarheid van machines en gereedschappen. Steeds meer wordt de productie opgevat als een zelfsturend geheel waarbij MES/ERP nog wel een order start maar de uitvoering van individuele productiestappen automatisch geregeld wordt binnen de productieomgeving. Om dit te realiseren worden aansturingsystemen zoals POLCA en CONWIP, ondersteund via een digitaal kaartensysteem (zoals bij kanban), geïntroduceerd. Provan installeert digitaal POLCA-systeem Toeleverancier Provan produceert allerlei metalen producten in opdracht van andere bedrijven. Het bedrijf doet aan plaatbewerking, profielbewerking, laswerk en assemblage. Gezien de klanten van het bedrijf steeds vaker te maken krijgen met een snel wisselende markt, worden ook de bestelde productaantallen kleiner, gevarieerder en vraagt men scherpere levertermijnen. Zo wordt de grote serieproductie van vroeger vervangen door de productie van steeds kleinere volumes. Dit betekende voor de toeleverancier een totaal andere aanpak met meer flexibiliteit en een kortere doorlooptijden. Het vond de juiste oplossing in quick response manufacturing of QRM. In plaats van kosten-based tewerk te gaan, kwam nu 'tijd' centraal te staan, om de doorlooptijden binnen organisatie en bedrijf te verkorten. Het bedrijf werd hierbij zo veel als mogelijk verdeeld in verschillende cellen, die autonoom werken. In een cel worden alle machines die nodig zijn om een bepaald product te maken samengebracht op een klein oppervlak, zodat alle productiestappen elkaar snel kunnen opvolgen. Hierbij kan bovendien gebruik gemaakt worden van een visualisatiesysteem op basis van kleuren, om de operatoren te helpen bij een vlot verloop van de workflow binnen de cel. Aansturing van bovenaf is hierdoor bijna overbodig geworden. POLCA Voor de aansturing van de verschillende cellen en de organisatie werd gekozen voor een digitaal POLCA-systeem. 'POLCA' staat voor 'paired-cell overlapping loops of cards with authorization', wat inhoudt dat (hier digitale) opdrachtkaarten ingezet worden voor in paren gerangschikte overlappende cellen. Dit systeem zorgt ervoor dat de orderflow en de goederenstroom binnen de organisatie, van de ene naar de andere cel, vlot verloopt. De resultaten voor het bedrijf zijn zeer positief: voor de productie van kachels kon men bijvoorbeeld de voorraad reduceren tot bijna nul, waar deze voorheen nog een ruimte van bijna 390 palletplaatsen innam, terwijl de doorlooptijd binnen de productiecel gereduceerd werd met 85 procent. 5. Verzending Digitale hulpmiddelen voor ondersteuning bij de verzending focussen op het aspect Augmented Reality. Dit houdt in dat de operator real time bijkomende informatie krijgt over hetgeen dient verzonden te worden. Het kan hierbij gaan om de locatie van het te verzenden product, de hoeveelheid of specifieke informatie aangaande de verzendingsmethode. Deze informatie wordt vanuit een centrale database op een draagbaar scherm geprojecteerd. Smart phones en tablet computers waren de eerste stap voorwaarts maar nu wordt geëxperimenteerd met echt draagbare oplossingen zoals de Google Glasses. Digital Manufacturing in de Maakindustrie 4

5 Barcode Scanning on Glass Given what we know about Google Glass, we can speculate that hands free barcode scanning on Glass is right around the corner. A consumer-focused example would be a Scandit price comparison app on Glass where a product barcode is scanned by simply saying scan or with a simple tap on the side of the device. Then a timeline card could be posted with detailed product information and pricing data. In an enterprise setting, Glass could enable hands free inventory management or order picking, where an employee simply looks at a barcode to scan it, and then says a quantity aloud to record it. Just imagine our scan technology scanning barcodes at lightspeed from a computer living on your head, delivering product information at a glance. We won t know for sure how well these types of usage scenarios can be supported until we actually get our hands on Glass, but we re optimistic that Google Glass will push tech into a new and very interesting space. And we will be ready when this happens [bron: The Guardian] 3D Printing, Direct Digital Manufacturing Laagopbouwende technologie laat toe om het Digital Manufacturing concept, informatie zo lang mogelijk digitaal houden, voor het volle pond toe te passen. De technologie wordt aangestuurd door een willekeurig 3D model in laagjes op te delen en vervolgens deze laagjes individueel te printen. Het proces gebeurt volledig digitaal, vereist geen speciale gereedschappen of manuele tussenkomsten en dat maakt de technologie zo bijzonder voor het Digital Manufacturing concept. De klant kan een 3D model digitaal aanbieden via een webinterface. De achterliggende software kan vervolgens het model opdelen in laagjes en zo met zeer hoge nauwkeurigheid zowel materiaalverbruik als productietijd berekenen. De klant verkrijgt volledig automatisch de kostprijs om het product te laten printen. Na goedkeuring van de klant wordt het model en bijhorend machineprogramma geladen in het MES en/of ERP systeem waardoor ook meteen de levertermijn kan medegedeeld worden. Zodra de 3D printer beschikbaar is, wordt het programma opgeladen en het product vervaardigd. Pas nu is er de eerste manuale tussenkomst: het product uit de machine halen en klaarmaken voor verzending. Dankzij het feit dat het volledige traject, van 3D model tot afgewerkt product, digitaal kan gebeuren, wordt de technologie ook wel Direct Digital Manufacturing genoemd. Auteur(s) Peter ten Haaf, senior projectleider Advanced and Precision Manufacturing peter.tenhaaf@sirris.be Digital Manufacturing in de Maakindustrie 5