Výhody virtualizované výroby a simulací

Výhody virtualizované výroby a simulací

Simulací základní výrobní úrovně lze monitorovat parametry, odhalovat nedostatky ve výrobě, upozornit na nákladovou neefektivitu, snížit uhlíkovou stopu a při aplikaci na konkrétní produkt lze simulovat jeho roli v reálném světě, i když dosud neopustil rýsovací prkno. 

Klíčem k transformaci výroby je přesunout operace z fyzické úrovně prostřednictvím virtualizačních funkcí, vytvářet simulace a používat digitální modely, které přinesou hmatatelné výhody. V oblasti navrhování a montáže je nutno rozšířit záběr a vytvořit dva produkty – virtuální model, jež bude obsahovat čistě informace o produktu, a také jeho skutečný fyzický protějšek. Digitalizace nám přesně toto umožnila.

Digitální výroba operátorům přináší schopnost škálovat objem výroby a přicházet s četnými variantami produktů již v rané fázi procesu, což jsou faktory nezbytné pro maximalizaci tržeb výrobního programu a nakonec i zisku. Výrobní proces lze již při jeho zrodu v prototypovém středisku převést do virtuální koncepce a následně přenést do středisek sériové výroby, čímž se zvýší flexibilita firmy a posílí kontrola nákladů na globálním trhu.

Digitální výroba navíc dává operátorům prostor k volné výměně znalostí o navrhování a technických řešeních. Digitální výroba dále umožňuje účinnou identifikaci úzkých míst ve výrobě, což výrobním závodům dovoluje plnit poptávku ve špičce s optimálně upraveným objemem výroby.

Jistá francouzská porcelánka transformuje ve spolupráci s přední nadnárodní softwarovou firmou své pojetí výroby a přesouvá kompletní proces navrhování a vývoje do cloudu. Použitá platforma slibuje zbavit se drahého fyzického prototypování a umožňuje výrobci vytvářet a validovat virtuální modely, které mohou sloužit jako referenční body pro vývoj forem. Společnost rovněž plánuje digitalizovat svůj stávající katalog a uchovat tak pro budoucnost produktové návrhy za posledních 150 let.

Virtuální prototypování produktů využívá stejnou metodu 3D drátěného modelu, jakou použil George Lucas při vytváření stanice Death Star ve svém filmu Star Wars z roku 1977. Tento proces je při technickém zajištění výroby rozšířen o prokládání virtuálních modelů naskenovanými vzorky za účelem identifikace materiálů vhodných pro výrobu daného produktu.

A protože se kritickým ukazatelem výkonu stala udržitelnost, proces testování a výběru materiálů je nutno zjednodušit. Virtuální prototypování tak musí podporovat cíle šetření zdrojů – šetřit cenné zdroje a podporovat udržitelnost.

Přístup na bázi dat

Po fázi prototypování se výroba potýká s nutností replikovat design a funkčnost prvního produktu. Momentálně to vyžaduje drahé audity fyzické kvality se spornou přesností.

Řešení tohoto problému vyžaduje z hlediska technického zajištění přístup na bázi dat. Při výrobním procesu bude nutno zaznamenávat produktová data a souběžně vytvářet virtuální model, který zrcadlí fyzický produkt.

Vytvoří se tím základ pro implementaci systému správy produktových specifikací (Product Specification Management – PSM), který dokáže zajistit kvalitu jakožto součást procesu správy životního cyklu produktu. Viz část „Pět kroků k vytváření digitálních replik a k rychlému prototypování“ níže. 

virtualni vyroba

Výrobní ekosystém

Myšlenkou je snaha o vybudování výrobního ekosystému, který je schopen vytvářet komponenty a nástroje na vyžádání na oběžné dráze, na zemi nebo na moři. V současnosti se využívají technologie laserového tváření a digitálního navrhování k přetváření práškových materiálů do složitých struktur pro oblast letectví, jako jsou potrubní vedení pro letouny F/A-18E/F. V rámci procesu, který se označuje jako selektivní laserové spékání (Selective Laser Sintering), se titan a jiné materiály používají k tisknutí malých i velkých dílů.

Důvody pro virtualizaci výroby jsou stále silnější. Když podnik používá k provádění iterací návrhu fyzické prototypy, určité materiály, jako jsou kovy, nelze digitálně vyrábět nebo obrábět za příznivých nákladů. Pokud se konečný produkční materiál liší od prototypovacího materiálu, materiálové vlastnosti konečného produktu nelze přesně odhadnout, i když firma použije rychlé prototypování nebo 3D tisk.

Pokud jde o konstrukční řešení, setkáváme se se stejnými výzvami, ať už jde o šálky na čaj, letadla nebo automobily. Výběr materiálu, jeho odolnost a proveditelnost technického řešení je nutno sladit s tím, jak produkt interaguje s vlivy reálného světa, teplem a vibracemi. S ohledem na to musí být virtuální výroba schopna posunout analýzu metodou konečných prvků (Finite Element Analysis – FEA) na vyšší úroveň. Simulace svařování, které zohledňují tepelné a zbytkové napětí, přispívají k optimalizaci návrhu nástrojů a vlastního procesu svařování. Na poli výzkumu a vývoje se pracuje na vytváření softwaru FEA pro simulaci a vývoj predikcí pro automatickou optimalizaci procesu. Po jeho integraci do řídicího systému by měl být schopen překalibrovávat nástroje přímo na základní výrobní úrovni, aby akceptovaly změny designu, nástrojů, způsobu výroby nebo materiálu, a to bez zásahu člověka. 

Digitální dvojčata simulují vše

Ve výrobě budoucnosti nás čeká více než jen využívání virtuálních informací o produktu ke zvýšení jeho kvality. Blížíme se replikaci prakticky celé základní výrobní úrovně s použitím dat shromážděných z celého výrobního systému, čímž vznikne digitální dvojče.

Tuto koncepci již zkoumá významné technologické konsorcium a vytváří fungující simulace větrných farem pro předvídání selhání zařízení a zvýšení denního výkonu o 20 %.

Virtuální zprovozňování v tomto ohledu umožňuje operátorům komplexně ověřovat udržitelnost výrobního systému tím, že vytvoří virtuální závod a napojí jej na reálný řídicí prvek. To vyžaduje, aby byl simulační model závodu popsán v plném rozsahu, až na úroveň senzorů a akčních členů. Připojením modelu k reálnému řídicímu prvku mohou technici detekovat potenciální chyby řídicích programů dlouho předtím, než dojde k fázi vlastního zprovoznění.

Simulace základní výrobní úrovně může monitorovat parametry, odhalovat nedostatky ve výrobě, upozornit na nákladovou neefektivitu a snížit uhlíkovou stopu. Tentýž koncept lze použít v menším měřítku a aplikovat jej izolovaně na produkt, abychom viděli, jak se bude chovat v reálném světě, aniž by opustil rýsovací prkno. 

Mayank Pandya je ředitel technického zajištění výroby společnosti L&T Technology Services, obsahového partnera časopisu Control Engineering. Upravil Mark T. Hoske, obsahový ředitel, Control Engineering, CFE Media, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..

Control Engineering Česko

Control Engineering Česko je přední časopis o průmyslové automatizaci. Je vydáván v licenci amerického Control Engineering, které poskytuje novinky z této oblasti více než 60 let.

www.controlengcesko.com