Az Industry 4.0-ről beszélve korábban visszatekintettünk az első három ipari forradalomra: a gyárak kialakulására, a tömegtermelésre és a növekvő számítási kapacitás hatására a gyártásban. A negyedik volt a digitális, vagy „okos gyártás” (Smart Manufacturing) térnyerése. A termelés fizikai oldaláról nézve a 18. század végén Nagy-Britanniából kiindulva a gyártósorok bevezetése és a gőzzel működő gépek megváltoztatták a gyárak szervezésének módját, és korábban elképzelhetetlen sebességgel szorították le a fajlagos költségeket. A XX. Század elejétől a tömeggyártásban hatalmas javulást láthattunk, és legújabban teljesen elkeseredett a küzdelem az ellátási láncban elfoglalt helyért, hogy – paradox módon a vevő helyett - a gyártás a legolcsóbb munkaerőhöz közel kerüljön.

Vannak jelei (különösen az Egyesült Államokban és Németországban) olyan erőfeszítéseknek, hogy bizonyos gyártási kapacitásokat „hazahozzanak”. Ennek során át kell gondolni az egész "legolcsóbb a legjobb" elvet is; ami biztos, hogy az új gyárak már nem lehetnek olyanok, amelyeket egy fél évszázadon át megszokhattunk.

Az Industry 4.0 és az IIOT „tárgyak ipari internete” a következő hullám a gyártástechnológiai fejlődésben, valamint a feldolgozás és kommunikáció folyamatában. A dolgok létrehozása, vagy a dolgok gyártása / előállítása a digitális átalakulás irányába tart. Az IIOT valójában egyfajta ökoszisztéma kialakulását vetíti elő a gyártás során, amikor a létrehozandó dolgok, tárgyak és a technológia egymással kommunikálnak, mintha egy jól működő Rube Goldberg gépet képzelnénk el (ipari üzem gépeivel behelyettesítve az ébresztőórát, kenyérpirítót és kávéfőzőt és az azokat összekötő trükkös fogaskerekeket).

A 3D modellek önmagukban felgyorsították a tervezést, a funkcionális dizájn folyamatát és a piacra jutást. A múltban a prototípusokat agyagból vagy valódi termékekből készítették el, hogy megtudják egyáltalán legyárthatóak, működőképesek-e. A 3D nyomtatás lehetővé teszi a gyártók számára, hogy felgyorsítsák és összevonják ezt a szakaszt, ami egy teljesen új megközelítést jelent. A 3D nyomtatás az egyik eszköz, amely alkalmas a termékek előállításhoz való viszonyunk átalakítására.

Üdvözöljük a 3D nyomtatás világában

A 3D nyomtatás hosszú évek óta az egyik legígéretesebb új gyártástechnológia; a prototípuskészítés, a tervezési iteráció hatékonyabbá válása és a kis léptékű gyártásban betöltött szerepe már jelentős, de most ért abba a szakaszba, amely a tényleges tömeggyártást örökre megváltoztathatja. Három területen várható áttörés az additív megmunkálásban vagy a 3D nyomtatásban, amely alapvető változáshoz vezet, ezek: a sebesség, minőség, felhasználható anyagok. Ezek mind befolyással vannak a fajlagos előállítási költségekre, amely az egyik nagy hátráltató tényező jelenleg. Mivel ezek az alapok gyorsan javulnak, olyan új lehetőségek merülnek fel, amelyek egyre közelebb visznek tömeggyártáshoz. A legnagyobb probléma ma a sebesség, de ezt nyilvánvalóan a 3D nyomtatók fejlődése hamarosan megoldja.

A GE90 a világ jelenlegi legnagyobb átmérőjű repülőgép hajtóműve. Munkaturbinája lapátjait additív megmunkálással készítik, mivel a bennük lévő hűtőcsatornákat másképp nem lehetne kialakítani. A hatalmas kompresszor első fokozatának lapátjai forgácsolással készülnek. 

Ma a kis sorozatú additív gyártás már jelen van bizonyos speciális termékeket előállító gyárakban - olyan iparágak, mint a repülőgép ipar (pld. sárkányszerkezetek és hajtóművek) vagy a szuper autók - ahol az árak magasak és a gyártási sorozatok kicsit, tökéletes fejlesztési terepet szolgáltatnak mind a háromdimenziós végfelhasználású alkatrészekhez, mind pedig speciális a szerszámok létrehozásához. Az additív gyártáshoz illeszkedő tervezés lehetősége emellett megváltoztatja a gyártás és fejlesztés dinamikáját: olyan alkatrészek hozhatók létre, amelyek egyébként hagyományos ipari környezetben lehetetlenek volnának, teljesítménynövekedést, súlycsökkentést és ilyen volumen mellett még költségelőnyöket is eredményeznek a gyártók számára. Az utat a gyártók speciális igényeinek mentén való fejlesztések fogják megmutatni, de a jövőben még az is elképzelhető, hogy a pótalkatrészek raktározását is kiválthatja majd egy-egy gyorsan dolgozó nyomtató.

3D-s nyomtatott szuperautó: A Blade-nek nevezett jármű környezeti terhelése 1/3 része az elektromos autó kibocsátásának és tőkeköltsége 1/50-e az egyéb módon gyártott autók gyártási költségének.

Az egyéni igények kiszolgálása

Számos tömeggyártó szeretne többet kínálni a futócipőtől a csúcskategóriás gépjárműgyártókig. Mindig lesznek fogyasztók, akik személyre szabott tárgyakról álmodoznak a tömegtermelés világában és gyártók, akik ki akarnak tűnni a tümegből. A fémek és nagy munkadarabok iránti igények még egyelőre túlságosan alacsonyak az ilyen jellegű tömeggyártáshoz, de a gyártóknak gondolniuk kell a gyáraik jövőbeli elrendezésére. A nagyobb automatizálás, a robotika és az additív gyártás teljesen új üzemi elrendezést eredményez; az emberek kisebb számban jelennek meg, cserében mindenki hozzájárulása kifinomultabbá és fontosabbá válik a folyamatokban.

A 3D-s nyomtatás előreláthatóan sok új ágazatot hoz létre a tervezéssel, a gyártással és a szolgáltatás rugalmasságával összefüggésben. Ahogy a sebesség, a minőség és az anyagok javulnak, a nyertesek azok lesznek, akik időben képesek felzárkózni és kihasználni az új lehetőségeket. A „mit gyártsunk, ami eladható” mai napig a legtöbb gyártó számára a fő korlátozó tényező, de már sokan előrevetítenek olyan "gyártási csomópontokat" (FAB), ahol egy létesítmény hatalmas változatosságban és tömegben képes az ügyfelek egyedi igényeit fogadni és rövid idő alatt kiszolgálni. A gyártás ekkor válik a szállítási lánc és a logisztika igazán kritikus részévé. A mit gyártsunk kérdése a kinek és mikorra kell kérdésévé alakul. A „print-to-order” stílusú gyártás feltételezi, hogy a megfelelő nyomtatók, anyagok és tervek készen állnak az ügyfelek bármilyen egyedi igényeinek kielégítésére. Ez a jövőkép mutatja igazán, hogy az Industry 4.0 valójában és elsősorban az adatokról és a hozzáadott tudásról szól.

A New Lab „co-working katedrális” NYC újítói számára: A New York-i fejlesztő Macro Sea egy korábbi, az első világháború idején épült hajógyárat alakított át fejlesztői környezetté.  A New Lab egy 84.000 négyzetméteres létesítmény a Navy Yard Building 128-ban, a DUMBO és a Brookling Heights között. A 100 éves hajóépítő létesítmény mostantól az új technológiák és innovátorok találkozó helye és fejlesztőközpontjaként éled újjá, beleértve a robotokat, a mesterséges intelligenciát és minden ezekhez kapcsolódó eszközt.

3D nyomtatás ipari környezetben, szoftverek és önállóság

Amikor arról beszélünk, hogyan illeszkedik a 3D-s nyomtatást vagy additív gyártás a következő generációs gyárak világába az adatoktól és az információáramlástól nem lehet elvonatkoztatni. Ahogy az eddigiek alapján kiderült, az ellátási lánc és a logisztikai szoftver kulcsfontosságú lesz az ügyfelek széles körének kiszolgálása szempontjából. Az egész termék előállítási, sőt életciklusa az új rendszerű gyártási környezethez igazodó szoftvereket is igényel, ez talán a legfontosabb a sikeres implementációhoz.

Az egyik ilyen a termék életciklus-menedzsment (Product Lifecycle Management - PLM), amely a terméktervezés legfontosabb eleme. A legfontosabb PLM szoftverfejlesztő cégek már jelenleg is teljes mértékben részt vesznek a 3D nyomtatási rendszerek integrációjának fejlesztésében és 3D alkalmazásokra kész alkatrészek tervezéséhez kínálnak megoldásokat.

Szükség van még speciális additív gyártási szoftverre: ez a dinamikusan fejlődő iparág az otthoni 3D nyomtatástól a legfejlettebb gyártási környezetig bezárólag öleli fel a szoftverfejlesztést, amelybe beletartozik a tervezési optimalizálás, a nyomtatás tervezése és maga a tényleges nyomtatóvezérlés.

Szükség lesz még az olyan gyártásirányítási rendszerek (Manufacturing Operations Management - MOM) átállítására, amelyek már eddig is széles körben elterjedtek a sorozatgyártó ipari üzemekben. A MOM rendszerek illesztése az új gyártástechnológiákhoz szintén kritikus lesz a hagyományos gyártási tervezés és kivitelezés és a 3D technológiák együttes alkalmazhatóságához.

Az automatizálás, a MOM és az IIoT fejlődése várhatóan szoros összefüggésben lesznek egymással. A 3D nyomtatás egy újabb elem ebben a sorban, amelynek olyan rugalmas szoftverplatformra van szüksége, amely lehetővé teszi az adatok globális felhasználását egyre kifinomultabb alkalmazásokban.

A 3D nyomtatás most még természetesen drágább, mint a tömeggyártás, de sokan dolgoznak azon, hogy ez a közeljövőben megváltozzon. Jelenleg a legtöbb 3D nyomtató többé-kevésbé "önállóan” képes elvégezni a feladatát, legalábbis az adatok fogadásának oldaláról, így – teoretikusan legalábbis – viszonylag egyszerű, ha rendelkezésre áll, egy nagyobb gyártási ökoszisztémához csatlakoztatni. Sokan gondolják úgy, hogy a 3D nyomtatóknak az Industry 4.0 megvalósulásában kulcsszerepük lehet, ha sikerül úgy kiegészíteni az irányítási és működési mechanizmusaikat, hogy a nyomtatók sokkal "függetlenebbek” legyenek, így jobban illeszkedjenek egy intelligens gyárba. Az önmagában nem elég, hogy a 3D nyomtató képes létrehozni egy objektumot, mivel az Industry 4.0 éppen a többi dologról – a folyamatokról - szól. Egy másik probléma, hogy a mai nyomtatók még megkövetelik az ember közreműködését. A 3D nyomtatókat még be kell állítani valakinek, a kész nyomatokat ki kell venni, fel kell tölteni őket alapanyaggal, esetleg időnként tisztítani kell a fejegységeket stb. Sokszor a késztermék végső megmunkálási fázisai is kézzel készülnek még (pld. felület utómunkálás).

Az Industry 4.0-et megcélzó 3D nyomtatókat fejlesztő vállalatoknak többek között a „manualitás” szerepének csökkentésére kell majd összpontosítania a készülékeikkel kapcsolatosan. Ez a szenzortechnológia és a robotika aktuális állapotát tekintve egyébként egyáltalán nem tűnik lehetetlen feladatnak. Gyakorlatilag adottak a lehetőségek úgy megtervezni a jövőbeli gépeket, hogy a működés közbeni jelenlegi problémákat kikerüljék. Nem arra kell számítani, hogy egy robot fogja szétszerelni az eltömődött fúvókát, hogy vegyi anyagokkal vagy kiégetéssel megtisztítsa, vagy újratelepíteni a szoftvert, ha szükséges. Ami biztosan lehetséges, hogy olyan fúvókarendszereket tervezzenek, amely kevésbé érzékenyek a problémákra és 3D nyomtatót, amely teljesen automatizált és teljes mértékben szoftver felügyeli. Egy intelligens gyártási folyamat képes kihasználni a gyártóberendezések teljes ökoszisztémáját, hogy nagyon összetett termékeket hozzon létre – például 3D nyomtatóval akár darabonként - a lehető leghatékonyabb módon. Minél kifinomultabb az irányítás, azaz a szoftver, annál hatékonyabbá válik a gyártás menete.

Ez a fajta technológia a termelést az anyag központú gondolkodás helyett információ és terv központúvá változtatja, és lehetővé teszi a tervezők és a gyártók számára, hogy kevesebb időt és pénzt fektessenek be egyes projektekbe és termékek kitalálásába a gyártás előkészítés és a formatervezés eddig megszokott formáihoz viszonyítva. Az ilyen gyártási folyamatban az igazi bónusz az a képesség, hogy az egymással összekötött eszközök kódrendszere az egyikből a másikba fordítható. A gyakorlatban a gyártás során egy terv már a kezdetektől olyan háromdimenziós kóddal épülhet fel, amely közvetlenül digitálisan nyomtatható, és ha megfelelőnek bizonyult a termék, egyből továbbítható egy olyan sokszorosító eszközre, amely azt már sorozatban gyártani tudja – így áll elő egy termék/terv, amelyet már kizárólag az IIoT számára hoztak létre, és amelynek tervét a folyamatban résztvevő valamennyi gép „érti”, és értelmezni tudja.

"Az a képesség, hogy olvasható kódokat közvetlenül az objektumokba helyezzünk, azt jelentené, hogy az ilyen módon létrehozott bármely objektum azonnal a tárgyak internetének része lehet. Carnegie Mellon és Karl D.D. Willis az InfraStruct projekben egy olyan robotot használtak, amely terahertz-szkennerrel volt felszerelve, amely ilyen kóddal rendelkező objektumokat tudott felismerni és keresni. A gyakorlatban ez lehet egy porszívó, amely megpróbálja elkerülni néhány játékot a padlón, vagy egy gyári robot amely képes megkeresni az alkatrészt, amire szüksége van ahhoz, hogy az összeszerelő sorra szállítsa. Bármilyen fajta robotikai alkalmazás esetében egy ehhez hasonló funkcionalitás fenomenális lenne." (Forrás: www.readwrite.com)

Egy friss tanulmány szerint "a megkérdezett vállalatok többsége egyetért abban, hogy a 3D nyomtatás (additive manufacturing) kulcsfontosságú és felgyorsítja a feldolgozóipar átállását az Industry 4.0-ra.” A felmérés szerint ugyanakkor csak nagyon kevés vállalat él teljes mértékben a 3D nyomtatási technológia által kínált lehetőségekkel a fejlesztési, gyártási és logisztikai folyamatok során. A megkérdezettek egyharmada a jövőben tervezi a 3D-s nyomtatási technológiákba való befektetést, de a legtöbb vállalat csak most kezdi el használni ezt az új technológiát. (Forrás: ww2.deloitte.com). Azok a vállalatok ahol már évek óta foglalkoznak a 3D nyomtatással, és fejlesztik az alkalmazások következő generációját, azok lesznek a változások jövőbeli nyertesei – kicsit kiterjesztve ez az egyén szintjén is így van, ezért most érdemes felszállni az új időkbe tartó vonatra. Figyeljünk a változásra, mert újra „nagy idők tanúi” vagyunk.

Hasznos fogalmak

Manufacturing Operations Management (MOM)
A gyártási műveletek kezelése, olyan holisztikus irányítási megoldás, amely teljes mértékben láthatóvá teszi a gyártási folyamatokat, így folyamatosan javíthatja a gyártási műveletek teljesítményét. A gyártási végrehajtási rendszer (manufacturing execution system - MES) fejlődése során a gyártási műveletek irányítási rendszere egyben kezeli az összes gyártási folyamatot a minőségmenedzsment, a fejlett tervezés és ütemezés, a gyártási végrehajtási rendszerek, a K + F kezelése és egyebek javítása érdekében. Ezen gyártási területek digitalizálása tovább optimalizálja a termelési teljesítményt a hatékonyság, a rugalmasság és a piacra kerülési idő növelése érdekében. A teljesen digitalizált folyamatokkal rendelkező gyártók jobban felkészültek arra, hogy gyorsan reagáljanak a piaci változásokra és az innovációkra.

Industrial Internet of Things (IIoT)
A "tárgyak internete" fogalom meghatározása szerint szinte minden tárgynak van szenzora, a szélesebb környezethez való kapcsolódási lehetősége és valamilyen intelligenciája. Néha az objektumban intelligenciának csak a morzsája van meg; de a lényeg, hogy van. A tárgyak lehetnek termékek, berendezések, konténerek vagy egyéb más dolgok is. A tárgyak ipari internete (IIoT) a tárgyak internete (IoT) technológiák alkalmazása a gyártásban. Az ipari internetként is ismert IIoT ipari környezetben létező szenzoradatokat, gép-gépi (M2M) kommunikációs és automatizálási technológiákat alkalmaz. A IIOT mögött meghúzódó irányítási filozófia az, hogy az intelligens gépek jobbak, mint az emberek az adatok folyamatos rögzítése és továbbítása során. Ezek az adatok lehetővé teszik a vállalatok számára, hogy növeljék a hatékonyságot és gyorsabban kezeljék a problémákat, amivel időt és pénzt takarítanak meg, növelve az általános versenyképességet. A gyártás során a IIoT különösen nagy potenciállal rendelkezik a minőségellenőrzés, a fenntartható és a zöld megoldások, az ellátási lánc nyomonkövethetősége, és a teljes ellátási lánc hatékonysága szempontjából.

Digital Transformation
Mivel a digitális átalakulás minden cég számára másnak tűnik, nehéz meghatározni egy olyan definíciót, amely mindenre vonatkoztatható. Általánosságban azonban a digitális átalakulást úgy magyarázzák, mint a digitális technológia integrációját az üzleti terület minden területére, ami alapvetően megváltoztatja a vállalkozások működését és az ügyfelek kiszolgálásának módját. Ráadásul ez egy kulturális és szemléletbeli változás is egyben, amely megköveteli a szervezetektől, hogy folyamatosan újraírják a status quo-t, gyakran kísérletezzenek és könnyebben kezeljék a hibákat. Ez azt is jelentheti, hogy szakítani kell régóta fennálló üzleti folyamatokkal, hogy a vállalkozások viszonylag új, vagy még éppen kidolgozás alatt lévő módszereket és gyakorlatokat alkalmazhassanak.

Big Data
Olyan adatkészletek, amelyek annyira nagyok és összetettek, hogy a hagyományos adatfeldolgozó szoftverek nem megfelelőek kezelésükre. A kihívások közé tartoznak az adatok rögzítése, az adattárolás, az adatok elemzése, a keresés, a megosztás, az átvitel, a vizualizálás, a lekérdezés, a frissítés és az adatvédelem. A Big Data elemzések általában három dimenziót különítenek el, úgy mint Volume (terjedelem), Variety (változatosság) és Velocity (sebesség). Az utóbbi időben a "Big Data" kifejezést inkább prediktív elemzésre, felhasználói magatartáselemzésre vagy más olyan fejlett adatelemzési módszerekre utal, amelyek az adatokból nyerik az értéket, és ritkán egy bizonyos adatkészlet méretére.

Szabó Gábor, Pécs, 2017. december 12.

Irodalmak

Faud Raja: Impact of 3D Printing on Industry 4.0 And The Role It Plays in IoT

Andrew Hughes: Industry 4.0 is About More Than Data: 3D Printing in Manufacturing (LNS Research)

Guruprasad Kuppu Rao: 3D Printing - A key actor for realising industry 4.0

Stephen Nigro: Disrupting industries with 3D printing

Industry 4.0 is About More Than Data: 3D Printing in Manufacturing

What Is “Industry 4.0” and How Does 3D Printing Fit Into It?