Strojaři krotí digitalizaci a nové technologie

O nutnosti digitalizace dnes většina strojírenských firem asi už nepochybuje. Šéf českého Siemensu Eduard Palíšek však loni v říjnu v rozhovoru pro HN zmiňoval, že řada firem dosud tápe v koncepci a strategii, jaké kroky a kdy nejlépe udělat: "Roste povědomí o tom, že digitalizace v průmyslu je důležitá, ale k jejímu zavádění stále ještě chybí ucelený a promyšlený přístup. Firmy by měly mít jasnou digitalizační strategii a věnovat se jí koncepčně." Každý asi začne digitalizovat nejprve to, co přinese největší úspory. Ale už při přípravě takového řešení je nutné plánovat následující kroky.

Jedním z prvních může být takzvaná zákaznická samoobsluha, elektronický konfigurátor výrobků. "Princip samoobsluhy je až směšně jednoduchý, ale o to více účinný. Je však překvapující, jak málo výrobců ho používá," říká profesor Jiří Marek, zástupce ředitele Ústavu výrobních strojů, systémů a robotiky na strojní fakultě VUT v Brně. "Nejjednodušší je přenést odpovědnost za specifikaci výrobku na svého zákazníka. V konfigurátorech na webových stránkách si ho zákazník sestaví podle svých představ a v mantinelech, co konfigurátor umožní. Nevýhodou je mnohdy poněkud velká kreativita zákazníků nad rámec konfigurátoru, což vede často k přílišným úpravám výrobku." Podle Markova odhadu ale zatím využívá takové konfigurátory jen asi pět procent strojírenských výrobců.

Spolupráce strojařů a stavařů může přinést mohutnou synergii ve spojení oceli a pevnostního betonu například při stavbě nosných struktur CNC obráběcích strojů.

Digitální dvojčata reálných produktů či výrobních provozů jsou sice základem digitalizace, nicméně podle Jiřího Marka opomíjeným a nerozšířeným. "Umožňují nejen v době jejich vzniku simulovat a odlaďovat vlastnosti získané až provozem, například implementaci PLC programů před zprovozněním CNC obráběcího stroje, ale také při reálném provozu předvídat jejich budoucí chování. To ví jenom málo strojařů. Umět vyvodit zpětný zásah a akci na základě nasbíraných dat není jednoduché. Řada výrobců si jenom myslí, že má digitální dvojče, ale jde spíše o imitaci dvojčete a líbivý název pro zákazníky," dodává Marek.

Zajímavou možností zejména pro konstruktéry je využívání virtuální reality. "Ve virtuální jeskyni mohou v měřítku 1 : 1 a při plném 3D vjemu vidět svůj budoucí výrobek. Mohou na něm zkoumat smontovatelnost, technologičnost a posléze údržbu. Mnozí konstruktéři si však myslí, že stačí 3D objemový modelář promítaný na 2D plochu monitoru. To je pro ně vrchol techniky. Nevýhodou je také poměrně drahý hodinový provoz virtuální jeskyně," vysvětluje Jiří Marek.

Nové výrobní technologie

K těm v poslední době nejskloňovanějším patří aditivní výroba neboli takzvaný 3D tisk. Jeho prostřednictvím lze dnes vyrábět součástky nejroztodivnějších tvarů a z nejrůznějších materiálů, jejichž výroba by konvenčními postupy byla nesmyslně drahá či zcela nemožná. Zatímco výroba plastových součástek na 3D tiskárnách je už poměrně rozšířená a v malých sériích i ekonomická, pro strojírenství zajímavější 3D tisk kovových materiálů se zatím potýká s vysokou cenou, časovou náročností a dalšími technologickými omezeními, kvůli kterým do výroby proniká jen velmi pomalu. Přesto má už dnes nezastupitelnou úlohu například při výrobě prototypů, kde výrazně zkracuje vývoj součástí, nebo při výrobě forem a dalších nástrojů, které jiným způsobem vyrobit ani nelze.

Kromě aditivní výroby do strojírenských provozů pronikají i další inovativní výrobní technologie známé buď ze specializovaných odvětví, jako je letectví či kosmonautika, nebo z jiných oborů. Jde například o kompozitní, tedy dvou- a vícesložkové materiály, jejichž výsledné vlastnosti jsou lepší než prostý součet vlastností jednotlivých složek. Mezioborové synergie jako jeden z trendů současného strojírenství vyzdvihuje i Jiří Marek: "Například spolupráce strojařů a stavařů zatím není moc rozšířená, nicméně může přinést mohutnou synergii ve spojení oceli a vysokopevnostního betonu například při stavbě nosných struktur CNC obráběcích strojů, stejně jako v základech, na kterých tento stroj stojí. Výhodou je rychlost dodávky a poměrně levná kilogramová cena za tento kompozitní materiál."

Kompozity na bázi uhlíkových vláken, využívané v konstrukcích letadel či závodních automobilů, vynikají pevností a nízkou hmotností. Například kompozitové nádrže na stlačený zemní plyn, které využívá v nejnovějších CNG variantách svých modelů aut koncern Volkswagen, ušetří oproti ocelovým několik desítek kilogramů hmotnosti. Nevýhodou je vysoká cena a jednoduchá není ani recyklace těchto materiálů, byť se na vývoji různých způsobů rozkladu pojiva pracuje. Opětovné využití velmi drahých uhlíkových vláken by umožnilo širší nasazení kompozitů v průmyslu.

Další perspektivní oblast představují nanomateriály. "Roušky z nanotextilií jsou bezpochyby hitem současné doby. Nanomateriál však nemusí být jenom textil. Například nanokapaliny mohou upravit povrch předmětů tak, aby se "sám čistil". To by bylo výhodné třeba pro výrobní techniku, jako jsou průmyslové roboty nebo ochranné kryty strojů. Konstruktéři mnohdy nedomýšlí, kde bude jejich výrobek provozován, a přitom nanokapalina by mohla pomoci nepříznivé ulpívání nečistot eliminovat," uvádí Jiří Marek.

Vývoj obráběcích strojů

Pronikání nových technologií do výroby však neznamená, že konvenční postupy jsou dnes už zastaralé. Nezastupitelnou roli má a nepochybně ještě dlouhou dobu bude mít třískové obrábění, které se různou měrou v různých fázích výroby podílí na vzniku snad všech výrobků.

Jedním z hlavních směrů vývoje obráběcích strojů v současnosti je zvýšení produktivity, přesnosti a spolehlivosti výrobního procesu, tedy zvýšení a dlouhodobé udržení kvality výroby. Vyvíjejí se také stroje schopné zvládnout více druhů technologických operací. Nejnovějším trendem je v tomto směru integrace třískového obrábění a aditivních technologií v jednom stroji. "Vývojáři nové generace CNC obráběcích strojů se zaměřují na zavádění chytrých řešení jak na úrovni jednotlivých strojů, tak celých výrobních systémů," říká vedoucí Ústavu výrobních strojů a zařízení na Fakultě strojní ČVUT v Praze Matěj Sulitka. Jde zejména o on-line monitorování vytížení strojů a průběhu výrobních operací. Tato řešení začínají do výrobní praxe pronikat díky rozvoji sběru dat ze strojů a sdílení dat v podnikových systémech pro elektronické plánování a řízení výroby. "Jde o výsledek synergické spolupráce mezi mnoha obory, od konstrukce přes senzoriku, diagnostiku a matematické modelování až po softwarové inženýrství," dodává Sulitka.

Další úrovní řešení chytré výroby je podle Matěje Sulitky schopnost stroje vyhodnocovat svůj stav a automaticky zasahovat do řízení obrábění podle aktuálních provozních podmínek. Stroj by měl umět lépe reagovat tak, aby udržel stálou kvalitu výroby. K dosažení tohoto cíle vede cesta přes několik úrovní digitálního modelování. "Velkou předností virtuálních mechatronických modelů je věrohodný popis interakce mezi CNC řízením a konstrukcí stroje. Díky tomu je možné odhalit nežádoucí odchylky nebo kmitání, které může vznikat při obrábění, a upravit návrh stroje podle požadavků na jeho provozní vlastnosti dříve, než je postaven fyzický prototyp. Vývoj se tím výrazně zkracuje a vede současně k tomu, že bude stroj správně navržen pro jeho předpokládané výrobní využití," vysvětluje Matěj Sulitka.

Virtuální modely usnadňují vývoj strojů se zdokonalenými vlastnostmi, ale také verifikaci a optimalizaci strategií obrábění. "Docílit lze například o desítky procent kratších časů obrábění, a tedy i nižší spotřeby energie při dodržení požadované přesnosti a kvality. Toho bychom testováním na skutečném stroji, bez využití virtuálních modelů, dosáhli jen obtížně," doplňuje Sulitka.

Data a umělá inteligence

Virtuální model stroje je základem zmiňovaného konceptu digitálního dvojčete stroje či výrobního procesu. "Digitální dvojče znamená, že se paralelně sbírají a vyhodnocují data jak z virtuálního modelu, tak z reálného procesu. Kombinací dat z modelů a ze stroje můžeme zjistit stavy, pro které nemá stroj potřebné snímače, nebo data využít pro další účely, jako je adaptivní řízení či prediktivní údržba," vysvětluje Matěj Sulitka.

Stroje by měly načíst přímo 3D model výrobku a samostatně na základě modelů strojového učení a umělé inteligence navrhnout strategii a podmínky obrábění.

Data z výrobních procesů jsou zdrojem pro pokročilé modely strojového učení a umělé inteligence. Snahou vývojářů je zkoumat takové kombinace dat, které umožní účinné trénování modelů. Chytré adaptivní modely se tak budou moci průběžně přizpůsobovat skutečnému stavu stroje.

Kromě zvyšování produktivity a jakosti obrábění se vývojáři zaměřují také na časové nároky spojené s přípravou a ověřováním navržené strategie obrábění. Doba vlastní výroby totiž mnohdy představuje pouze zlomek toho, kolik času zabere její příprava. I tyto fáze výroby je možné zkrátit díky nasazení pokročilých modelů. "Snažíme se automatizovat postupy programování strojů a přípravy výroby. Jednoduše řečeno, stroje by měly získat schopnost načíst přímo 3D model výrobku a samostatně na základě modelů strojového učení a umělé inteligence navrhnout efektivní strategii a podmínky obrábění," dodává Matěj Sulitka.