Elastyczne i produktywne – systemy produkcji macierzowej przygotowują fabryki na przyszłość

Strona tytułowa Matrixproduktion

Jak producenci mogą szybciej reagować na globalne kryzysy, radzić sobie z opóźnieniami w dostawach i jednocześnie odpowiadać na indywidualne życzenia klientów? Na zlecenie acatech, naukowcy z Fraunhofer przeanalizowali, w jakim stopniu cyberfizyczne systemy produkcyjne mogą pomóc przedsiębiorstwom w radzeniu sobie z tymi wyzwaniami.

Takiej elastyczności rzadko wymaga się od firm: przerwy w łańcuchach dostaw spowodowane kryzysami i wojną, krótkoterminowe anulowania lub zmiany zamówień, trend ku coraz mniejszym partiom produkcyjnym oraz rosnąca personalizacja produktów to codzienność wielu przedsiębiorstw produkcyjnych. Jednocześnie firmy muszą zwiększać swoją wydajność, aby móc konkurować na rynku globalnym. Nowe, elastyczne koncepcje produkcji mogą w tym pomóc. Do takiego wniosku dochodzą zespoły badawcze z Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA oraz Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU. Fraunhofer IPA i IWU wspólnie, na zlecenie Niemieckiej Akademii Nauk Technicznych acatech, opracowały ekspertyzę dotyczącą wdrażania cyberfizycznych systemów produkcyjnych typu matrix.

Pojęcie matrix pochodzi pierwotnie z matematyki i opisuje prostokątny układ obiektów wierszami i kolumnami. Technicy produkcji rozumieją przez matrix układ modułów produkcyjnych w formie szachownicy: magazyny towarów, maszyny produkcyjne i systemy transportowe na przykład działają niezależnie od siebie. Jednocześnie są one jednak cyberfizycznie połączone: w przestrzeni wirtualnej istnieje cyfrowy bliźniak, który odwzorowuje procesy produkcyjne i moduły produkcyjne. Dzięki niemu można optymalizować przepływy materiałów i wykorzystanie maszyn. Na podstawie wyników steruje się następnie rzeczywistymi – fizycznymi – modułami.

Systemy produkcyjne matrix w praktyce: czy produkcja staje się bardziej elastyczna i jednocześnie bardziej wydajna?

Cyberfizyczne systemy produkcyjne matrix uważane są przez ekspertów za klucz do produkcji, która jest zarówno elastyczna, jak i wydajna, co pomaga firmom zwiększyć ich odporność i przetrwać w burzliwych czasach. »Cyberfizyczne systemy produkcyjne matrix stanowią odpowiedź na zmiany rynkowe, takie jak spadające liczby sztuk, rosnąca różnorodność wariantów i słaba prognozowalność potrzeb klientów«, mówi Thomas Bauernhansl, członek rady naukowej platformy Industrie 4.0 i dyrektor instytutu Fraunhofer IPA.

To, że inżynierowie szczególnie interesują się elastycznością i wydajnością, ma dobre uzasadnienie. Te dwie cechy dotychczas były uważane za przeciwieństwa w produkcji: klasyczna produkcja warsztatowa, w której elementy, na przykład blachy, są stopniowo obrabiane różnymi narzędziami, jest mało zautomatyzowana, bardzo elastyczna, ale przynajmniej przy średnich ilościach nieefektywna. Z kolei linie produkcyjne o wysokim stopniu automatyzacji są dzięki sztywnej łańcuchowości bardzo wydajne, ale nieelastyczne – na przykład, gdy brakuje jednego elementu, linia zatrzymuje się.

Czy cyberfizyczne systemy matrix mogą uczynić produkcję warsztatową bardziej wydajną, a linie produkcyjne bardziej elastycznymi? Aby odpowiedzieć na to pytanie, zespoły Fraunhofer przeprowadziły ankietę w 28 firmach, zebrały i przeanalizowały wyniki. »Naszym celem było zbadanie stanu techniki i sprawdzenie, na ile nowe systemy są już wykorzystywane w praktyce i czy rzeczywiście zwiększają elastyczność i wydajność«, wyjaśnia Petra Foith-Förster, kierowniczka badania w Fraunhofer IPA.

Większe firmy korzystają z systemów matrix – brakuje kompleksowych rozwiązań dla MŚP

»Przede wszystkim duże przedsiębiorstwa, ale także większe firmy średniej wielkości już korzystają z systemów matrix«, mówi Dr Arvid Hellmich, kierujący badaniem w Fraunhofer IWU. Pionierami w wdrażaniu nowych systemów są przemysł półprzewodników, ale także większe producenci samochodów czy urządzeń elektrycznych, którzy stosują modułowe struktury, zoptymalizowane i sterowane cyfrowo. »Byliśmy zadowoleni, że technologie stosowane w wielu firmach korzystających z systemów matrix już osiągnęły wysoki poziom dojrzałości«, podkreśla naukowiec.

W celu oceny poziomu dojrzałości cyberfizycznych systemów matrix inżynierowie opracowali katalog kryteriów. Należą do nich między innymi modułowa budowa jednostek produkcyjnych, stopień realizacji cyfrowego bliźniaka, zastosowanie zautomatyzowanych systemów transportowych oraz rekonfigurowalność procesu, umożliwiająca szybkie dostosowanie produkcji do zmieniających się wymagań rynku.

»Wyniki ekspertyzy pokazują, że systemy matrix umożliwiają ekonomiczną produkcję przy wymagających warunkach rynkowych i że firmy z różnymi procesami produkcyjnymi z różnych branż już je częściowo lub całkowicie wdrożyły«, podsumowuje Hellmich.

To, czego jeszcze brakuje, to gotowe rozwiązania rynkowe: »Zaskoczyło nas, że choć dostępne są pojedyncze rozwiązania systemów matrix, to nie ma kompletnych pakietów obejmujących technologię maszyn i automatyzację procesów«, podkreśla Foith-Förster. »Firmy, które już korzystają z nowych, modułowych systemów, opracowały je same. Małe i średnie przedsiębiorstwa, które nie mogą sobie pozwolić na własny rozwój technologii, mają pod tym względem trudności. Konieczne jest więc lepsze powiązanie dostawców technologii z potencjalnymi klientami.«