Fred van Houten Hoogleraar Ontwerptechniek Ontwerp, Productie en Management 1
De industriele evolutie? 2
Industrie 4.0? 3
De 19 e eeuw van de werktuigbouwers 1820-1850: De 1 e Industriële revolutie Ontstaan van de Gereedschapswerktuigenindustrie Opkomst van de Katoen- en Textielindustrie Centrale aandrijving met stoommachine 4
INDUSTRIE 1.0 5
Elektrificatie: De 2 e Industriele revolutie Meer flexibiliteit voor fabrieksinrichting Begin 20e eeuw: Massieve invoering 3 fasen motoren (Krachtstroom) minder beperkingen aan fabriekslayout 1915 6
Industrie 2.0 1913: Stroomlijning van de fabricage maakt massaproducten goedkoop Elektrische aandrijving van machines F.W. Taylor: Scientific Management Uitvinder High Speed Steel (Slijtvast gereedschapsmateriaal) Flow productie arbeidsdeling - tijdstudies Ford: Hoge efficiency + Hoge lonen 7
1952 Numerieke Besturing John T. Parsons (1913 2007) Vader van de Numerieke Besturing Berekening van de instelling van machinecoordinaten met een computerprogramma Electrische aandrijving van de instellingsbewegingen door middel van een ponskaartlezer Patent: Motor Controlled Apparatus for Positioning Machine Tool (ingediend 1952, verleend 1958) 8
Industrie 3.0: Numerieke Besturing 1961: de Unimate, de eerste industriele robot bij GM 9
Midden 60-er jaren: IBM Bill Of Material Planning - Het begin van ERP 10
Industriële Laser Toepassingen 1958 Uitvinding van de Laser 1965 Laserboren 1970 Lasersnijden 11
1984 Additive Manufacturing Charles Chuck Hull richtte 3D systems op Stereolithografie Uitharden fotopolymeer met laser 12
1990 Flexibele Fabrikagesystemen (FMS) en Computer Integrated Manufacuring (CIM) 13
Flexibel? --------en veel te duur! 14
15
Opkomende economieën 1991 EUR 3,451 bn Verlies van marktaandeel Europa van 36 naar 25% Wat is hieraan te doen? Hoe zit dat binnen Europa? Hoe zit dat in Nederland? South America 7% Asia excl. Japan 8% Russia and Eastern Europe 4% North America 24% 2011 EUR 6,577 bn Africa 2% Share of emerging economies: 21% Other developed countries 2% Japan 18% Western Europe 36% Africa 1% Other developed countries 1% South America 6% Western Europe 25% Asia excl. Japan 31% Share of emerging economies: 40% Japan 11% Russia and Eastern Europe 2% North America 22% 1) UNCTAD data in constant 2005 USD, converted into EUR (2005 exchange rate) Traditional industrial economies Emerging economies 16
17
MAN Y LOSERS, FEW WINNERS Industriële bijdrage aan INDUSTRIAL 1) SHARE OF VALUE ADDED IN SELEC TED COUN TRIES 2001 2011 20% 17% bruto nationaal product Nederland 14% Trend: Blijft ongeveer gelijk EU 2) AVER AGE: 15% 15% 11% 22% SWEDEN 26% 24% 23% 16% 18% UK 15% 11% GERMAN Y CZECH REPUBLIC POL AND 17% 20% 14% FRANCE 16% 11% 10% SPAIN ITALY GREECE 1) Excluding electricity, mining and quarrying 2) EU 27, 2011 Source: UNCTAD 18
PROFI TABILIT Y 1) High INDUSTRY 4.0 Return expected by investors (ROCE) 3) = 15% Europe 2030 RB Industry 4.0 Readiness Index 1)2) 5 Belgium Finland Germany TR ADITIONAL INDUSTRY Germany 2012 Denmark 4 POTENTIALISTS UK Netherlands Sweden FRONTRUNNERS Austria Ireland Europe 2012 3 France TR ADITIONALISTS Czech Republic France 2012 2 Italy Spain Estonia Portugal Poland HESITATORS Croatia Slovakia Slovenia Hungary Lithuania Low Low CAPITAL INTENSIT Y 2) High 1) EBIT as % of value added; margin: Low = below 5%, High = above 20% 2) Capital employed/value-added; margin: Low = below 0.5, High = above 1.3 3) ROCE (Return On Capital Employed) = profitability x capital intensity Bulgaria 1 1 2 3 4 5 Manufacturing share (% of GDP; index) 1) 1) 1 = low, 5 = high 2) Adjusted for outliers Cyprus, Latvia, Luxemburg, Romania, Greece 19
Industrie 4.0 20
LOONONTWIKKELING IN CHINA (1 RMB = 0.14 Euro) 21
ICT en industriële automatisering komen samen 22
Ingrediënten voor de flexibele fabriek 23
Van TRL naar MRL 24
Intelligente machines 25
Robots als bewerkingsmachines 26
Samenwerken met mensen ----- intrinsiek veilig 27
(Re)configureerbaar 28
Geautomatiseerd transport 29
30
Samenwerkende robots 31
32
33
34
35
36
Tweearmig Lassen 37
38
Verfstripper 39
Virtuele voorbereiding 40
41
42
Tape laying 43
45
Kan zelfs de machinebediener vervangen 46
Reconfigureerbare gereedschappen 47
48
Configureerbare machines 49
50
Modulaire bouwwijze 51
Fabriek van de Toekomst (FoF) 52
53
Tabletop productielijn 54
55
56
57
Ten Cate Factory of the Future 58
Nederland FME TNO EZ VNO NCW KVK BOM NOM OOSTNV Innovation Quarter Nederland ICT 59
Robots, 3D printers, Big Data en Netwerken 60
61
Fieldlabs Fieldlabs bieden de mogelijkheid laagdrempelig (lage kosten, weinig eigen risico) te onderzoeken wat Smart Industry innovaties voor een bedrijf kunnen betekenen. Zo kan een bedrijf nieuwe technologieën testen zonder zelf dure machines te hoeven aanschaffen. Verder wordt vanuit de Fieldlabs een structurele samenwerking gezocht met kennisinstellingen, vakgroepen aan universiteiten en onderwijsinstellingen. 62
Smart bending Factory Wereldwijd innovatie-toonbeeld worden in maatwerk voor de metaalindustrie om kleine series 25% goedkoper en 5 keer sneller op de markt te brengen. 63
North and East Netherlands: Region of Smart Factories Foutloze productie en First Time Right product- en procesontwikkeling leiden tot een succesvolle vraaggestuurde maakindustrie.. 64
Region of Smart Factories Reshoring Production 65
Designing Ultra Personalised Products and Services: UPPS Het ontwikkelen van radicale nieuwe productproposities voor de maakindustrie door middel van innovatief gebruik van data en door producten volledig op maat te maken. 23/1 6 66
Flexible Manufacturing Radicaal doel: In kleine series flexibel en volledig geautomatiseerd produceren middels robots en zonder programmeringstijd. 67
Wetenschappelijke Agenda (STW/TNO) 68
WAT BETEKENT SMART INDUSTRY VOOR U? Nieuwe materialen en nieuwe maakprocessen leiden tot nieuwe randvoorwaarden voor productontwikkeling. Toename complexiteit van producten en voortbrengingsketens Ontwikkeltempo gaat alsmaar omhoog Meer verantwoordelijkheid van toeleveranciers gevraagd Nieuwe bedrijfsvormen en businessmodellen Product-diensten combinaties Welke aanpak/gereedschappen kunnen hierbij helpen? 69
Aandachtspunten SMART INDUSTRY Versnelling van de productontwikkeling: Creatief, multidisciplinair, flexibel,. De keten: integratie, openheid, informatie delen, decentrale aansturing. Veiligheid, vertrouwelijkheid, samenwerking,.. De mens centraal: human capital. Opleiding en training, verantwoordelijkheid, vaardigheid Open platform voor productieautomatisering van de toekomst. Hoe integreren we ERP, PLM en machinebesturingen Behoud van productie in West-Europa = Behoud van werk? Welke banen blijven behouden in de industrie, welke nieuwe komen erbij 70
71
72
Hoe maakt U het? Wat betekent Industrie 4.0 voor Uw product? Fred van Houten 73
DUTCH DESIGN? Intuitief Origineel / Disruptief Eenvoudig Repetitief / Procedureel Incrementeel / Voorspelbaar Complex 74
STYLING 75
Medisch 76
COMPLEX SYSTEEM: BAGAGEAFHANDLING Vele mogelijke oplossingen Ontwerp methoden en gereedschappen 77
MULTIDISCIPLINAIR ONTWERPEN VEREIST SYSTEM ENGINEERING Verschillen in achtergrond Werktuigbouwers denken in CAD Elektrotechnici denken in schema s Informatici denken in klassen en objecten Marketeers denken in opportunities Maar ze moeten samenwerken aan een gemeenschapplijk doel 7 8 78
INDUSTRIELE MACHINES MOGEN OOK MOOI ZIJN! 79
ONTWERPMETHODEN Pahl & Beitz (VDI 2221) Prescriptief 80
Eisen Eisen Topsnelheid Brandstofverbruik Ontwerp Strategie Eisen? V8 Automaat? 4 Wiel aandrijving? PP P P P P P P P P P PP P P P P P P Eisen P P P PP P P P P P P P P P P P P P Afmetingen Oppervlaktekwaliteit Spelingen Toleranties Combinatie Top-down Bottom-up 81
EEN GOEDE ONTWERPER WERKT ZOWEL INTUÏTIEF ALS GESTRUCTUREERD Creatief, OUT OF THE BOX denken Kritisch: Is dit wel het juiste uitgangspunt? Analytisch (convergent) Associatief (divergent) Kennis, breed en diep Abstractievermogen Ervaring, leren van fouten Teamgeest, samen lukt het beter Methodische aanpak Geschikte gereedschappen 82
Lateraal Denken Edward de Bono 83
TRIZ: Theorie van het oplossen van ontwerpproblemen Altshuller 84
Generalisatie Hergebruik Gegeneraliseerd probleem Gegeneraliseerde oplossing Specifiek probleem Specifieke oplossing 85
Design for X Levenscyclus gericht ontwerpen Onderdelenproductie Assemblage Testen Installatie / Levering Gebruiksfase Onderhoud Reparatie Hergebruik van onderdelen Recycling 86
ONTWERPGEREEDSCHAPPEN 87
GEREEDSCHAPPEN VOOR HET MAKEN VAN PROTOTYPEN 88
EN COMPUTERGEREEDSCHAPPEN... 89
Maakbaarheid heeft grote invloed op het ontwerpen Historisch perspectief: Eenduidige specificatie van onderdelen en samenstellingen Nauwkeurigheid en Reproduceerbaarheid in de fabrikage Computerbesturing van fabrikage en assemblage Nieuwe processen Contactloos Additief Nieuwe materialen 90
1815 Eenduidige specificatie van geometrie Gaspard Monge (1746-1818) Directeur van de Ecole Polytechnique Uitvinder van de Descriptieve Geometrie: Orthografische projectie van voorwerpen in sets van 2D aanzichten Maakte eenduidige specificatie en reproduceerbare productie van uitwisselbare onderdelen mogelijk 91
3D CAD Modellering Patrick Hanratty Pronto NC programmeertaal (1957) Oprichter van MCS Vader van 3D CAD (1971) Hanratty code (ADAM) was de basis van bijna alle CAD systemen van de 70er jaren Pierre Bezier (1910-1999) Curves en dubbelgekromde oppervlakken voor CAD systemen (1968) Ian Braid, Alan Grayer, en Charles Lang Vaders van Boundary Representation Solid Modelling (Romulus 1978, ACIS 1985) 92
Analysegereedschappen Modelleren van materiaalgedrag 1960-1970 Analyse van constructies en fabricageprocessen Argyris (Universiteit Stuttgart), Clough (Berkeley), Zienkiewicz (Swansea) NASTRAN open source project gesponsord door NASA 93
Geometrieoptimalisatie 94
MOGELIJKE TOEKOMSTEN VIRTUAL REALITY ALS ONTWERPGEREEDSCHAP? 95
VRLAB: TXCHANGE JOINT VENTURE MET THALES 96
GESCHIKT VOOR HET MULTIDISCIPLINAIR ONTWERPEN IN GROEPEN 97
VOORBEELDEN 98
WERELDWIJDE VIRTUELE SAMENWERKING 99
Armen en handen van alle deelnemers worden afgebeeld op de tafel Virtuele objecten aanwijzen Fysieke objecten delen 100
VAN VIRTUEEL NAAR REËEL EN TERUG: SCANNEN EN PRINTEN 101
HAPTISCHE INTERACTIE 102
Ontwerpsynthese Gewenste specificaties Evaluatie Behaalde performance Synthese CDS Ontwerpkennis CA E Analyse / Optimalisering Model van de ontwerpoplossing CAD 11/2 1 103
Trends in productontwikkeling (McKinsey) Information Based versus Time Based Holman R., Keeling D. The future of product development. The McKinsey Quarterly, 2003(3). 104
CAM Designer Mechatronic Designer Composite designer Mechanism Designer 105
106
Nieuwe materialen: drivers voor innovatief ontwerpen Percentage vezelversterkte kunststoffen in vliegtuigen 107
Ten Cate Aerospace Composites werkt samen in Thermoplasic Research Center 1991: First series production: Fairchild Dornier ribs 1995: First primary structure: GV pressure floors 1997: First welded assembly: MUC door Fo50 108
Compression Moulded Structural Parts 109
Fixed Wing Leading Edge Nacelle Liner 110
NIEUWE PRODUCTIEMETHODEN: DIGITALE TEXTIELDRUK 111
112
Nieuwe productiemethoden Samenwerkende Mobiele Robots 113
Flexibele fabrikage van Koolstofvezel versterkte producten 114
3D printen is volwassen geworden Persoonlijk en Industrieel gebruik 115
Functionele metalen producten: LaserCusing of SLM 116
3D tandprothese printers 117
3D bio printers 118
3D betonsculpturen-printer 119
House printing 120
Creativiteit wordt niet meer gehinderd door fabrikageproces 121
Vormgeving gebaseerd op 3D printing 122
123
NIEUWE BUSINESSMODELLEN THE FAST EAT THE SLOW OPEN SOURCE IN PLAATS VAN IP GEBASEERD Kickstarter Pebble toucheert in 2012 10 M$ binnen een paar weken We have grown a lot -- from one founder, to nine employees, to a team somewhere around 130. But we still make the same watch we thought was cool back in 2011. It is used for more things everyday and big and serious companies are partnering with us. But we are still Pebble. We are making a watch that people love using everyday. $99 124
125