Flexibel en productief – Matrixproductiesystemen maken fabrieken klaar voor de toekomst

Titelpagina Matrixproductie

Hoe kunnen fabrikanten sneller reageren op wereldwijde crises, omgaan met leveringsproblemen en tegelijkertijd inspelen op individuele klantwensen? In opdracht van acatech hebben onderzoekers van het Fraunhofer-instituut onderzocht in hoeverre cyberfysische matrixproductiesystemen bedrijven kunnen helpen bij het aanpakken van deze uitdagingen.

Zo veel flexibiliteit werd zelden geëist: crisis- en oorlogsgerelateerde onderbrekingen van de toeleveringsketens, kortetermijnannuleringen of wijzigingen in bestellingen, een trend naar steeds kleinere ordervolumes en een toenemende individualisering van producten maken tegenwoordig deel uit van het dagelijks leven van veel productiebedrijven. Tegelijkertijd moeten bedrijven hun productiviteit verhogen om te kunnen concurreren op de wereldmarkt. Nieuwe, flexibele productiekoncepten kunnen hierbij helpen. Tot die conclusie komen de onderzoeksteams van het Fraunhofer-instituut voor productie- en automatiseringstechniek IPA en het Fraunhofer-instituut voor werktuigbouw en omvormtechniek IWU. Fraunhofer IPA en IWU hebben in opdracht van de Deutsche Akademie der Technikwissenschaften acatech een expertise opgesteld over de implementatie van cyberfysische matrixproductiesystemen.

De term matrix komt oorspronkelijk uit de wiskunde en beschrijft een rechthoekige rangschikking van objecten in rijen en kolommen. Productietechnici verstaan onder een matrix een schaakbordachtige opstelling van productiemodules: bijvoorbeeld magazijnen, productiemachines en transportsystemen werken onafhankelijk van elkaar. Tegelijkertijd zijn ze echter cyberfysisch verbonden: in de virtuele ruimte is er een digitale tweeling die de productieprocessen en productiemodules afbeeldt. Hiermee kunnen stroom- en machinebelasting geoptimaliseerd worden. Met behulp van de resultaten worden vervolgens de echte – fysieke – modules aangestuurd.

Matrixproductiesystemen in gebruik: wordt de productie flexibeler en tegelijkertijd productiever?

Cyberfysische matrixproductiesystemen worden onder experts beschouwd als de sleutel tot een productie die zowel flexibel als productief is, en die bedrijven helpt hun veerkracht te vergroten en dus ook in turbulente tijden te overleven. »Cyberfysische matrixproductiesystemen bieden een antwoord op marktveranderingen, zoals dalende stukprijzen, toenemende variëteit en slechte voorspelbaarheid van klantbehoeften«, aldus Thomas Bauernhansl, lid van de onderzoeksadviesraad van het Plattform Industrie 4.0 en directeur van het Fraunhofer IPA.

Dat de ingenieurs zich vooral voor flexibiliteit en productiviteit interesseren, heeft een goede reden. De twee grootheden worden tot nu toe in de productie als tegenpolen beschouwd: de klassieke werkplaatsproductie, waarbij onderdelen, bijvoorbeeld platen, met verschillende gereedschappen stapsgewijs worden bewerkt, is weinig geautomatiseerd, zeer flexibel, maar bij middelgrote aantallen inefficiënt. De hooggeautomatiseerde lijnproductie daarentegen is dankzij starre ketenwerking zeer productief, maar onflexibel – bijvoorbeeld als een onderdeel ontbreekt, stopt de band.

Kunnen cyberfysische matrixproductiesystemen de werkplaatsproductie productiever maken en de lijnproductie flexibeler? Om deze vraag te beantwoorden, hebben de teams van het Fraunhofer-instituut 28 bedrijven ondervraagd, resultaten verzameld en geanalyseerd. »Ons doel was om de stand van de techniek te onderzoeken en te achterhalen in hoeverre de nieuwe systemen al in de praktijk worden gebruikt en daar daadwerkelijk flexibiliteit en productiviteit verhogen«, legt Petra Foith-Förster uit, die de studie leidt bij het Fraunhofer IPA.

Grotere bedrijven gebruiken matrixproductiesystemen – complete oplossingen voor MKB ontbreken

»Vooral grote bedrijven, maar ook grotere middenstanders, maken al gebruik van matrixproductiesystemen«, meldt Dr. Arvid Hellmich, die de studie bij het Fraunhofer IWU heeft geleid. Pioniers bij de invoering van de nieuwe systemen zijn de halfgeleiderindustrie, maar ook grotere fabrikanten van auto's of elektrische apparaten passen modulaire structuren toe die digitaal geoptimaliseerd en aangestuurd worden. »We waren blij dat de technologieën in veel van de bedrijven die matrixproductiesystemen gebruiken, al een hoge rijpheidsgraad bezitten«, benadrukt de onderzoeker.

Voor de beoordeling van de rijpheidsgraad van de cyberfysische matrixproductiesystemen hebben de ingenieurs een catalogus van criteria opgesteld. Deze omvat onder andere de modulaire opbouw van de productie-eenheden, de mate van implementatie van een digitale tweeling, het gebruik van geautomatiseerde transportsystemen en de reconfigureerbaarheid van het proces, wat een snelle aanpassing van de productie aan veranderde marktvereisten mogelijk maakt.

»Het resultaat van de expertise toont aan dat matrixproductiesystemen een economische productie mogelijk maken onder uitdagende marktvoorwaarden, en dat bedrijven met verschillende productieprocessen uit diverse sectoren deze al deels of volledig toepassen«, vat Hellmich samen.

Wat nog ontbreekt, zijn marktklare complete oplossingen: »Het was verrassend voor ons dat er wel oplossingen voor individuele aspecten van matrixproductiesystemen worden aangeboden, maar geen totaalpakketten inclusief apparatuur en procesautomatisering«, benadrukt Foith-Förster. »De bedrijven die al met de nieuwe, modulaire systemen werken, hebben deze zelf ontwikkeld. Kleine en middelgrote bedrijven die zich geen eigen technologische ontwikkeling kunnen veroorloven, blijven achter. Hier is dringend betere netwerking tussen technologieaanbieders en potentiële klanten nodig.«