Kľúčové technológie a faktory umožňujúce vznik tovární budúcností

V nasledujúcej časti podrobnejšie opíšeme technológie a faktory, ktoré by mali umožniť vznik tovární budúcnosti.

Pokročilé výrobné procesy

Efektivita a trvalá udržateľnosť výroby v súčasnosti existujúcich, ako aj budúcich produktov je ešte stále veľmi ovplyvnená procesmi, pomocou ktorých sa tieto produkty formujú alebo montujú z rôznych komponentov. V čoraz väčšej miere sa začínajú objavovať inovatívne produkty a pokročilé materiály (vrátane nanomateriálov), avšak ich vývoj ešte nie je dotiahnutý do fázy využitia ich plného potenciálu. Dôvodom je, že ani výrobné metódy na vytvorenie týchto produktov a materiálov nie sú dostupné na ich masovú výrobu. Výskum v uvedenej oblasti by mal potvrdiť, že nové výrobné postupy dokážu efektívne využiť potenciál budúcich produktov v širokom spektre aplikácií.

Medzi pokročilé výrobné procesy, na ktoré sa bude potrebné zamerať, patria:

  • aditívna výroba;
  • technológie spracovania materiálov využívajúcich fotóny;
  • technológie tvárnenia, napr. (prírastkové) tvárnenie a obrábanie ako riešenie výzvy spojenej s ťažko tvárniteľnými materiálmi a pri objavovaní nových metód spracovania s cieľom získať komponenty na úrovni mikro- a nanoštruktúr;
  • vysoká produktivita a vývoj technológií „samomontáže“ pre tradičné výrobné procesy (spájanie, tvárnenie, obrábanie), ako aj nové mikro-/nanovýrobné procesy;
  • metódy pre oblasť manipulácie s časťami, metrológiu a kontrolu vrátane nedeštruktívnych technológií zabezpečujúcich schopnosť vyrábať vo veľkých sériách s vysokou spoľahlivosťou a v prostredí s menšou reguláciou, aká platí pre dnešné výrobné procesy;
  • prispôsobiteľné výrobné technológie S2S (sheet-to-sheet) a R2R (roll-to-roll), pokrok v plastovej elektronike, nanášanie vzorov vo veľkých objemoch v nanorozmeroch (fotolitografia) a nových materiáloch a lepšie využitie priestoru ma CMOS;
  • inovatívne fyzikálne, chemické a fyzikálno-chemické procesy;
  • klonovanie, zariadenia pre prispôsobiteľnú škálovateľnú výrobu/montáž a nanášanie;
  • prepojenie nekonvenčných technológií (laser a iné lúčové technológie, ultrazvukové alebo nízkofrekvenčné technológie) s vývojom nových multifunkčných alebo hybridných výrobných procesov (zahrnutých v koncepte procesov: kontrola, tepelná úprava, odstránenie pnutí, obrábanie, spájanie, metrológia a pod.).

Mechatronika pre pokročilé výrobné systémy

Do výrobných systémov spadajú strojné zariadenia, moduly a komponenty, ktoré prepájajú strojnú časť, technológie pre oblasť spracovania materiálov, elektroniku a výpočtové schopnosti s cieľom vykonávať predpísané úlohy s požadovaným výsledkom. Mechatronické systémy neprichádzajú do kontaktu len so spracúvaným materiálom, časťami či produktmi, bezpečne spolupracujú aj s pracovníkmi prevádzky a zároveň komunikujú s inými systémami vo fabrike. Sú tiež prepojené na systémy riadenia a správy výroby (MES/MOM) a monitorovacie systémy na vyšších úrovniach v rámci fabriky.

Preto sú výrobné systémy čoraz inteligentnejšie a ich cieľom je generovať vysokú hodnotu (kvalitu, produktivitu) pri nižšej spotrebe energií a vytváraní menšieho odpadu. Sú charakterizované vysokým stupňom autonómnosti a kognitívnych schopností, vo veľkej miere inšpirovaných a využívajúcich robotické technológie. Požiadavka rekonfigurovateľnosti a schopnosti výroby malých sérií produktov podľa osobného želania zákazníka vyžaduje nielen inteligentnú mechatroniku, ale aj vyššiu účinnosť a efektívnosť pri plánovaní a konštruovaní takýchto výrobných systémov.

Najväčší dosah možno očakávať z nasledujúcich technologických oblastí:

Technológie riadenia – naďalej sa bude zvyšovať výpočtový výkon, schopnosti a inteligencia snímačov a to všetko s cieľom splniť požiadavky na čoraz väčšiu rýchlosť a presnosť pri výrobe. Pokročilé stratégie riadenia umožnia použitie ľahších akčných členov a štrukturálnych prvkov pri vytváraní veľmi stabilných a presných riešení namiesto pomalších a energeticky náročnejších prístupov. Učiace sa regulátory sa budú vedieť prispôsobiť správaniu systémov s cieľom meniť prostredie alebo predchádzať zničeniu systémov. A to všetko pri zvážení obmedzení a alternatívnych riešení. Na druhej strane budú závislé od odolných technológií zabezpečujúcich komunikáciu v reálnom čase, prístupov k modelovaniu systémov a architektúr distribuovanej inteligencie.

Inteligentné funkcie založené na poznaní v rámci strojných zariadení a robotike – výrazne zmenia ich prepojenie na ľudského operátora vo výrobnom prostredí. Strojné zariadenia a roboty sa posunú k intuitívnej spolupráci a budú využívať technológie navigácie a vnímania, ktoré im pomôžu „vnímať“ svoju prácu a okolie.

Pokročilá interakcia človek – stroj vďaka všadeprítomným mobilným zariadeniam – a tiež vďaka novým zariadeniam s prirodzenou interakciou umožní používateľom prijímať relevantné informácie o výrobe a podniku, a to bez ohľadu na ich geografickú polohu a podľa kontextu a zručností/zodpovedností, ktoré majú. Prepojenie s infokomunikačnými infraštruktúrami a zariadeniami bude intuitívne a prostredníctvom prirodzeného komunikačného jazyka.

Trvalé monitorovanie – stavu a výkonu výrobných systémov na úrovni procesov, prvkov a zariadení umožní trvalú udržateľnosť a konkurencieschopnosť výroby. Navyše sa budú využívať aj také veci, ako možnosť autonómnej diagnostiky a kontextové povedomie. Detegovanie, meranie a monitorovanie premenných, udalostí a situácií zvýši výkon a spoľahlivosť výrobných systémov. V tejto súvislosti sa bude hovoriť o pokročilej metrológii, kalibrácii a snímaní, spracovaní signálov a na modeloch založených virtuálnych snímačoch pre široké spektrum aplikácií, ako je napr. detekcia a diagnostika vzorov udalostí, detekcia anomálií či prognostická a prediktívna údržba.

Architektúra a komponenty inteligentných strojných zariadení – umožnia nasadenie bezpečných, energeticky účinných, presných a prispôsobiteľných alebo rekonfigurovateľných výrobných systémov. K tomu bude potrebné, aby vznikli inteligentné akčné členy a využívali sa pokročilé koncové efektory vytvorené z pasívnych a aktívnych materiálov umožňujúcich manipuláciu a montáž zložitých častí. Uvedené technológie umožňujú znížiť vibrácie a hluk a zvýšiť rýchlosť, presnosť a kvalitu. Inteligentné komponenty umožňujú vyššiu úroveň modularity, vyšší výkon a škálovateľnosť v dynamických stavoch.

Energetické technológie – napr. (super)kondenzátory, pneumatické uskladňovacie zariadenia, batérie a technológie zberu energie z okolia, ktoré naberajú čoraz viac na dôležitosti.

Výrobné zariadenia stále nedokážu využiť výhody a prínosy, ktoré nové a pokročilé materiály ponúkajú, a továrne budúcnosti budú potrebovať pokročilejšie zariadenia, aby dokázali splniť požiadavky na ochranu životného prostredia, energetickej efektívnosti a vo vzájomne prepojenom svete. V budúcnosti budú k dispozícii moderné, ľahké, flexibilné a inteligentné zariadenia s dlhou životnosťou schopné vyrábať terajšie produkty a tie, ktoré sa objavia aj v blízkej budúcnosti pre existujúce aj nové trhy. Nastane zmena pri konštrukcii takýchto zariadení, ktorá povedie k trvalo udržateľnej výrobnej základni schopnej dodávať produkty s vysokou pridanou hodnotou a výrobou orientovanou na požiadavky zákazníka. Zvyšujúca sa inteligentnosť výrobných zariadení takisto umožní systémový prístup vďaka strojom schopným učiť sa jeden od druhého a bude mať vplyv aj na rozhranie človek – stroj.

Informačné a komunikačné technológie (IKT)

Medzi najväčšie výzvy, pred ktorými stoja dnešné výrobné podniky, sú stále narastajúca zložitosť ich procesov a dodávateľské siete, tlak na ceny a náklady, rastúce očakávania zákazníkov a používateľov ohľadom kvality, rýchlosti a produktov vytvorených na zákazku a tiež bezpečnosť a podpora pracovníkov. Výroba sa začína posúvať z pozície zameranej na prevádzku smerom k biznisu zameranom na človeka s oveľa väčším dôrazom na pracovníkov, dodávateľov a zákazníkov, ktorí tvoria uzatvorenú slučku [2].

Jednou z najdôležitejších požiadaviek, ktorá by mohla pomôcť vyriešiť uvedený problém, je spolupráca. V rámci spolupracujúcej výroby poskytujú IKT trvalú spätnú väzbu bez prerušenia komunikácie medzi vývojármi, technikmi, najmodernejšími výrobnými prevádzkami a zákazníkmi. V rámci spolupracujúcich dodávateľských reťazcov dokážu výrobcovia strojov ponúknuť služby s pridanou hodnotou (napr. údržbu, modernizáciu) či predávať svoje produkty ako službu (PaaS – Product as a Service). Riadenie vzdialeného servisu pomáha zlepšovať dostupnosť zariadenia, znižovať náklady na servis (napr. vo forme cestovných nákladov), zvyšovať účinnosť servisu (t. j. fixná cena za prvú návštevu) a zrýchľovať proces inovácií (napr. vzdialená aktualizácia softvéru zariadenia). Prostredníctvom spolupráce zákazníkov by nastupujúce riešenia mohli umožniť extrakciu informácií o zákazníkoch a popredajných informácií z takých zdrojov, ako sú sociálne siete, a v budúcnosti ich využiť pri vývoji personalizovaných a zákaznícky prispôsobených koncových produktov.

V nasledujúcej časti sa zameriame na dôležitosť a smerovanie vývoja v konektivite, mobilite a opíšeme technologické oblasti IKT, ktoré by mali hrať pri vzniku inteligentných tovární prvé husle.

Literatúra

[1] Factories of the Future, Multi-annual roadmap for the contractual PPP under Horizon 2020. European Commission 2013.

[2] ICT for manufacturing. The ActionPlanT Roadmap for Manu­facturing 2.0.

Pokračovanie v budúcom čísle.

-tog-