Een industrieel productieproces vormt een keten die elektronisch te sturen is. In jaren van gezonde economische groei stijgt de productiviteit in zo’n keten met enkele procenten. Maar dat is nu aan het veranderen. Naar verwachting verdubbelt de effectiviteit van het technische proces in korte tijd. 3D-modellering, ‘rapid tooling’ en ‘product data management’ zorgen voor enorme productiestijgingen.
Met behulp van nieuwe of verbeterde productietechnologieën, gecombineerd met het gebruik van informatietechnologie, is de effectiviteit van productieprocessen enorm te verbeteren. Die verbeteringen zijn niet voorbehouden aan een bepaald toepassingsgebied, maar in dit artikel komen slechts de discrete processen aan de orde.
Die processen beginnen met het drie-dimensionaal ontwerpen en construeren, ondersteund door zeer verfijnde en veelzijdige constructieberekeningen. Daarna komt rapid prototyping voor het in korte tijd (binnen uren of dagen) maken van een prototype. Verlengstuk van ‘rapid prototyping’ is rapid tooling voor het vervaardigen van matrijzen voor zogenoemde 0-series van producten. Nieuw bij de gereedschapwerktuigen is het ‘hoge-snelheid’ verspanen dat volgbewerkingen overbodig maakt. In de nabije toekomst komen geavanceerde calculatiepakketten met kennisbanken op de markt. Benchmarking gaat verdwijnen en wordt vervangen door applicaties die de relaties tussen (minimale) eisen en minimale functionaliteit zoeken. Het gaat dan om het beste product en het beste proces.
Hoofdrol voor IT
Alle technische processen zijn de afgelopen decennia dankzij informatietechnologie beduidend verbeterd. Dat proces zet versneld door; computers en sensors speelden en spelen in die ontwikkeling een hoofdrol. Dankzij de sensor kwam de digitale meettechniek tot ontwikkeling en gingen nauwkeurigheid en snelheid van het meten van druk, temperatuur en snelheden met sprongen vooruit. Gecombineerd met de verfijnde elektromotor kon de elektronisch geregelde en bestuurde machine zich ontwikkelen tot een volledig mechatronisch systeem. Gevolg is dat nauwkeurigheid en kwaliteit van het productieproces toenemen. Het omstellen gebeurt sneller en met minimale verliezen, het productietempo blijft stijgen. Het tempo waarin machines en installaties veranderen komt hoger te liggen. Dankzij die nieuwe mogelijkheden komen laserbewerkingen, vaak gecombineerd met andere technologieën, snel tot ontwikkeling en verdwijnen volgprocessen als slijpen en eroderen naar de reservebank. Het productieproces wordt ook korter.
IT speelt in deze ontwikkeling een hoofdrol. Cad/cae (computer aided design met computer aided engineering) is al geen nieuw proces meer te noemen. Elektronisch tekenen – 2D-cad – ontwikkelde zich in het begin van de jaren tachtig en werd dankzij het werkstation en de krachtige PC voor iedereen bereikbaar. In het midden van de jaren tachtig begon het drie-dimensioneel modelleren zich te ontwikkelen. De techniek is gerijpt, de toepassing nog veel te beperkt en dat ondanks het feit dat ook 3D-modellering niet kostbaar is. Het 3D-vormgeven en vervolgens ontwerpen van een product is een natuurlijke en daardoor aantrekkelijke, makkelijk begrijpbare benadering. Het natuurlijke is, dat de vormgeving van het product inherent is aan ons ruimtelijke inzicht en denken. De ontwerper en constructeur kunnen hun voorstelling van het product direct modelleren in een 3D-ontwerp, dat ontwerp van alle kanten – van binnen en van buiten – bekijken en modificeren, het samenstellen uit bouwstenen (features) en het gedrag van het product zeer nauwkeurig doorrekenen op mechanische belasting, temperatuur, druk, vloeigedrag enzovoort. Wat met 3D-modellering kan worden bereikt laat de Ford KA zien; een zeer eigentijdse vormgeving en een sterk concurrerend product.
Hulp van Step-protocol
Het grote nadeel van het in 2D-tekenen is dat een 3D-model, in drie vlakken en doorsneden weergegeven, weer in instructies voor de productie vertaald moet worden. Dat vertalen gebeurt vooral in de werkvoorbereiding en is nooit consistent. Er ontstaat altijd iets anders dan wat de constructeur had bedoeld. In het 3D-modelleringsproces wordt stap voor stap met die oude fout afgerekend. Over de geometrische vorm van het product behoeft geen twijfel meer te bestaan. Met behulp van Igess en meer nog door toepassing van Step-protocollen kunnen die geometrische instructies voor de vormgeving van vlakken via een softwarematige preprocessor direct aan de cnc-machine (computerized numerical control) worden overgedragen. Het cnc- of computergestuurde systeem berekent zelf de gereedschapbaan met correcties voor de vorm van beitelpunten. Gevolg is dat fouten door informatie-overdracht worden geëlimineerd, terwijl het werkvoorbereidingsproces versnelt omdat de vorm van het vlak niet meer extra behoeft de worden geprogrammeerd.
De overdracht van ontwerpinformatie naar de productie en met behulp van Igess is en blijft echter onvolledig. Step is nog niet volledig gereed. Informatie over features – over de gaten, boringen, schroefdraden enzovoort in het werkstuk – over de materialen en procescondities kunnen op dit moment nog niet direct vanuit het ontwerp op de machine worden overgedragen. Step moet nog verder worden ontwikkeld en die ontwikkeling vergt nog circa twee jaar. Daarna moet het gebruik van het protocol worden overgedragen aan de gebruiker. ‘Help’ is de noodkreet aan de software-industrie. Het duurt te lang.
De stagnerende informatiestroom tussen het ontwerp- en fabricagestadium vormt een groot knelpunt in het technische proces. Elektronische communicatie tussen cad/cae-systemen onderling en tussen de cad- en de cnc-systemen blijft de eerste jaren nog problematisch. Er zijn toeleveranciers in de auto-industrie die terwille van de communicatie met de afnemer over vijf verschillende cad-systemen beschikken. Anderzijds zijn er matrijzenbouwers die nu ook de matrijs voor de afnemer ontwikkelen en hun cad-systeem aan hun cnc-machines hebben gekoppeld. Dit werkt.
Het 3D-ontwerpsysteem is omgeven door constructie-hulpmiddelen die gebaseerd zijn op de eindige elementenberekening. Met die hulpmiddelen wordt het gedrag van het product onder allerlei belastingen berekend. De windtunneltest is nagenoeg overbodig geworden. Het vloeigedrag van de smelt door een matrijs wordt al jaren lang berekend. Met behulp van die berekeningen worden producten en processen geoptimaliseerd en langdurige praktijktesten overbodig. Het gebruik van cae komt in het midden- en kleinbedrijf nog zeer beperkt voor.
‘Rapid prototyping’ en ’tooling’
Ondanks het modelleren in drie dimensies en ondanks toepassing van cae komen er nog altijd vormgevingsfouten voor in het ontwerp. Het kan zijn dat de ontwerper toch iets anders heeft bedoeld dan hij heeft gemodelleerd of dat de component niet past in het model. Rapid prototyping (rp) is de oplossing voor deze problemen. Het is een computergestuurde ‘layer’-techniek, waarbij het product vanuit het 3D-ontwerp wordt opgebouwd; uit papier of kunststof dat via een laserproces in een bad wordt neergeslagen. Het papieren model dient voor beoordeling van het productuiterlijk; het model kan worden beoordeeld door afnemers. Het meer technische model – er bestaan diverse rp-technieken om het model op te bouwen – dient voor beoordeling van de technische vormgeving, belastingstesten en montageproeven. De techniek is zover gevorderd dat momenteel complete schaalmodellen van auto’s één op één te modelleren zijn. Zo’n ‘mock up’ is dan compleet; met uitsparingen voor lampen, deurgrepen enzovoort. Die kunnen er als het ware worden ingeklikt. Een model van enkele kubieke decimeters kan in enkele uren tot enkele dagen worden gemaakt. De doorlooptijd van opdracht tot aflevering bedraagt enkele dagen tot enkele weken.
Modellen kunnen ook uit gesinterde keramische materialen of metalen bestaan. De techniek wordt gebruikt voor het vervaardigen van proefmatrijzen voor 0-series. In zo’n geval is er sprake van rapid tooling (rt). De eerste praktijkvoorbeelden waren te zien op de in september gehouden EMO – een beurs voor gereedschapwerktuigen. De fabricage van een proefmatrijs veronderstelt een doorlooptijd van vier tot acht weken. Naar verwachting kan deze doorlooptijd nog aanzienlijk korter worden.
Kortere werkvoorbereiding
Beide technieken, ‘rapid prototyping’ zowel als ’tooling’, hebben tot doel om onzekerheden in de productontwikkeling en fabricagevoorbereiding te elimineren. Toepassing van rp betekent dat met de finale productbeoordeling niet behoeft te worden gewacht op de 0-serie fabricage. De beoordeling van het product kan plaatsvinden zelfs voordat de constructiefase is beëindigd. Door rt wordt in bepaalde processen – matrijs- en stempelfabricage – de werkvoorbereiding vereenvoudigd en verkort.
De huidige cnc-generatie bestuurt van de gereedschappunt tot en met de spanningsregeling van de motoren. Cad-informatie wordt via het eigen rekenprogramma omgezet in besturingsinformatie. De vervorming van het gereedschapwerktuig als gevolg van belasting door het proces op het werktuig wordt berekend en gecompenseerd in de besturing van de gereedschapweg. Twee problemen doen zich voor. Nummer een is de nog niet naadloze informatie-overdracht van cad- naar cnc-systeem, nummer twee die van de uitbreiding van het cnc-toepassingsgebied. ‘Computerized numerical control’ was oorspronkelijk beperkt tot het conventionele gereedschapwerktuig. Hoge-snelheid verspanen, zeer korte omsteltijden, laserbewerkingen op het gereedschapwerktuig en andere nieuwe technieken stellen nieuwe eisen aan de besturingstechniek. Momenteel worden zij ingebouwd.
Coördinatie van de technische informatiesystemen speelt zich binnen het systeem voor ‘product data management’ (pdm) af. Product- en proceskennis, werkstroomsystemen voor projectbeheer en systemen voor managementinformatie zijn er onderdeel van. ‘Product data management’ communiceert met het systeem voor logistiek management, dient als gegevensbank voor technische service en maakt terugkoppeling van de service naar het productontwerp en fabricageproces mogelijk. Dit systeem is vergaand ontwikkeld, maar als kennisbank vereist het nog verdere ontwikkeling.
Forse verbeteringen
Door toepassing van al die processen afzonderlijk zijn forse verbeteringen van de resultaten mogelijk. De prestaties door 3D-modellering zijn kwantitatief moeilijk te vergelijken met 2D-tekenen. Het is een geheel ander proces. Er zijn nog geen signalen uit de markt dat de ontwerpkosten significant dalen, maar wel signalen over de positieve invloed op de kwaliteit van het product en de effectiviteit van het erop volgende productieproces. ‘Rapid prototyping’ en ‘rapid tooling’ zijn extra bewerkingen die de slagvaardigheid van het technische proces vergroten en de kostbare uitval in het ontwerp- en constructieproces elimineren. ‘Computerized numerical control’ gecombineerd met hoge-snelheid verspanen biedt mogelijkheden om productietijden met een factor tien te reduceren. De producten zijn van betere kwaliteit, volgbewerkingen vervallen, het monteren wordt eenvoudiger en gaat dus sneller. Wie de winsten door een goed gebruik van 3D-modeling, rp en rt, hoge-snelheid verspanen met cnc-besturing, toepassing van andere nieuwe technieken en pdm bij elkaar optelt, komt tot de conclusie dat het technische proces nu met een factor anderhalf tot drie kan worden verbeterd. In de wat verdere toekomst – over vijf tot tien jaar – zijn nog veel grotere productiviteitsstijgingen mogelijk.
Hoe groot de integrale besparingen voor specifieke processen kunnen zijn, is een vraag die de technische wetenschapper momenteel intrigeert maar die niemand beantwoordt. Producenten ontwikkelen elk voor zich. Ieder kent de mogelijkheden van het eigen systeem en probeert die te verkopen. De system integrators die het geheel overzien en de mogelijke winsten voor een totaal van toepassingsgebieden kennen, zijn zeer dun gezaaid. De gebruiker moet zelf aan de slag en calculaties maken waarin nieuwe oplossingen met de conventionele worden vergeleken. Het gaat daarbij echter niet om alleen de investeringen in nieuwe apparatuur, opbrengsten en directe kosten, maar ook om verandering van kwaliteit en flexibiliteit en inbreng van nieuwe kennis. De calculatiesystemen ontbreken echter, de gebruiker beschikt in de meeste gevallen niet over de nodige proceskennis voor het kunnen maken van dergelijke calculaties.
Afstand van ‘benchmarking’
Ook die situatie is aan het veranderen. Het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, IPA, in Stuttgart gaat zo’n calculatiemodel ontwikkelen, compleet met koppeling aan gegevensbanken. De elementen voor zowel het model als de gegevensbanken zijn beschikbaar. De inspanning geldt het onderbrengen van al die elementen in een model. De applicatie Kapes van PS Automatisering gaat al een heel eind in die richting.
Met zo’n calculatiemodel op basis van kennisbanken zijn we een eind op de goede weg. Het onderzoek door het Institut für Poduktionstechnik und spanende Werkzeugmachinen van de TH Darmstadt, in samenwerking met McKinsey Düsseldorf, gaat echter veel verder. Doel van dit onderzoek is om afstand te nemen van het ‘benchmarking’-proces. Benchmarking heeft tot doel om de concurrentiepositie en de maatregelen tot positieverbetering vast te leggen. Waar het nu om gaat is de grenzen van het maakbare op te sporen. Die grenzen worden aangegeven door de minimale klant- en markteisen, de identificatie van knelpunten en de daaruit resulterende kosten. Het onderzoeksveld is beperkt tot machines en machinebesturingen. Het eerste proefproject betrof de ontwikkeling van een werktuigmachine. Deze was opgebouwd uit 985 onderdelen, waarvan er 330 beduidend van elkaar verschilden. Met conventionele hulpmiddelen kon dit aantal tot 90 componenten worden teruggebracht. De natuurlijke grens ligt bij 31 verschillende componenten. Gebaseerd op 90 componenten, zijn in 18 uur de componenten voor een gereedschapwerktuig gefabriceerd. De montagetijd bedroeg twintig uur. Dat resulteerde in een kostprijs van 25.000 – 30.000 DM voor een machine, die conventioneel gefabriceerd enkele tonnen kost.
Knelpunten en drempels
De technische wereld begint te sidderen, alsof zij op een vulkaan leeft. De recente illusie van het maken van kwantumsprongen krijgt steeds meer impulsen om snel werkelijkheid te worden. IT en kennis vormen echter de knelpunten op weg naar deze nieuwe technische wereld. 3D-cad is in dit traject volwassen, maar het moet worden toegepast. ‘Rapid prototyping’ en ‘rapid tooling’ ontwikkelen zich snel. De werelden van rp en rt zijn klein. Dat is niet gunstig voor het aanpassingsvermogen, het verhoogt de drempel. De nieuwe cnc-besturingssystemen zijn bijna van alle markten thuis, maar zij moeten zich nog een plaats verwerven. De fysieke bewerkingen die er mee moeten worden bestuurd, vooral hoge-snelheid verspanen en laserbewerkingen, zijn nog niet uitontwikkeld.
‘Product data management’ is de grote gegevensbank en koppelaar onder al deze ‘stand alone’-systemen. Het koppelen van technische informatiesystemen verloopt nog gebrekkig. Daar schuilt knelpunt nummer één. Daarnaast kunnen we de nieuwe fabricageprocessen nog niet calculeren; de kennis en de IT met kennisbanken ontbreekt. Dat is knelpunt nummer twee. Als laatste komt de kennis zelf. De productie-organisatie wordt een uitgedunde kennisorganisatie, met nieuwe product-, proces- en IT-kennis. De weg naar de kwantumsprongen is lang en moeilijk, verloopt ‘bottom up’. Stap voor stap – te beginnen bij het beter calculeren van de te moderniseren werkstroom – is de enige manier om de krenten in de vetter wordende pap te vinden.
De beslissingen over het maken van al of geen kwantumsprongen, het tempo waarin moet worden veranderd, de investeringen en risico’s, zijn voor rekening van het management. De kennisingenieur met veel IT-kennis en vaardigheden ondersteunt én geeft de doorslag bij het slagen van dit veranderingsproces. Het vak is zwaar, de belangstelling dientengevolge te laag. De IT-industrie schenkt te weinig aandacht aan communicatie. Men wacht te veel op elkaar. Die patstelling kan worden doorbroken door met de nieuwe mogelijkheden ‘de toekomst te calculeren’.
Cees van Heijkoop is freelance medewerker van Computable
