Modularitet i produktionsteknik: Hvor granulært kan det være?

Princippet om modularitet kan bedst forklares med Lego-klodser som eksempel: Nogle få grundklodser og definerede forbindelseselementer kan bruges til at skabe utallige objekter med forskellige funktioner. Denne tilgang har også vundet indpas i industrien for produkter med en højere grad af kompleksitet og variation. Inden for styrings- og drevteknologi kan systemer som PLC'er, IPC'er, HMI'er og drevkomponenter sammensættes af individuelle "skiver" eller flere eksterne I/O-blokke, så de passer til den pågældende maskine. Fordelen er, at de kan udvides eller ændres uden store anstrengelser ved senere brug.

Der er i øjeblikket ikke noget alternativ til modularisering inden for maskinteknik, da de tilsvarende koncepter sigter mod en portefølje med mindre variation og kompleksitet samt et generelt lavere omkostningsniveau uden at reducere tilbuddets bredde og individualitet (1). Dette udsagn er lettere at forstå, når man ser på de typiske krav til produktionssystemer:

1. Begreber som "individuelle produkter" og "Industri 4.0" kræver meget variable produktionssystemer, der gør det muligt at fremstille et bredere udvalg af produkter, selv i mindre mængder. Til det formål skal systemerne være skalerbare og give mulighed for senere udvidelse (2).

2. Hvis maskinfabrikker skal nå ud til deres kunder, er det ikke nok at udvikle og sælge gode produkter - og vente på service- og vedligeholdelsesordrer. Det skyldes, at livscyklusomkostninger (LCC) spiller en stadig vigtigere rolle i den økonomiske analyse af investeringer. LCC kan bruges til at præsentere og sælge nye forretningskoncepter, herunder vedligeholdelses-, service- og eftermonteringstjenester, på en meget gennemsigtig måde. Det gør det lettere for maskinproducenterne at overbevise brugerne om fordelene ved det udvidede udvalg af tjenester, der dækker hele anlæggets livscyklus (3). Den stigende efterspørgsel efter abonnementsmodeller som "pay per use", "pay per month" og "pay per unit" bekræfter denne tendens. Når alt kommer til alt, er brugs- og serviceorienterede modeller også økonomisk attraktive: I 2018 var den gennemsnitlige margin på salg af nye maskiner 5,4 %, mens den for serviceydelser var 40 %.(4)

3. Især når det drejer sig om dyre kapitalgoder, er det ofte mere økonomisk at udvide eksisterende maskiner og forny enheder end at købe dem helt nye.

4. I hvert fald nogle kunder forventer, at maskinmoduler eller delsystemer fra forskellige leverandører kan integreres i eksisterende systemer uden nogen særlig indsats.

Men før OEM'erne beslutter sig for at gå videre med modulariseringen af deres produkter og produktion, bør de kunne svare bekræftende på følgende spørgsmål:

• Kan de anslåede samlede omkostninger for en ny, konsekvent modulær produktgruppe sandsynliggøres inden for den sædvanlige tidsramme for branchen og baseret på worst case-antagelser for yderligere markedsudvikling?

• Mener alle involverede afdelinger, at de udfordringer, som det planlagte redesign af maskinen eller systemet medfører, er gennemførlige?

• Er alle berørte dele af virksomheden parate til at tilpasse deres arbejdsmetoder til det nye modulkoncept?

Det er også vigtigt at afklare, i hvilket omfang en maskine eller et system skal opdeles i moduler. Det geniale ved LEGO ligger ikke i selve byggeklodserne, men i forbindelserne mellem dem. Disse bestemmer den mulige granularitet i opdelingen, men er også den begrænsende faktor for tilslutning af komponenter. Situationen er den samme med grænsefladerne i en maskine: De sikrer en sammenhængende "overordnet struktur" ved at garantere, at maskindele og produktionslinjer fungerer korrekt. Den korrekte adskillelse af byggestenene i det "overordnede system" fra hinanden er derfor afgørende for en vellykket modularisering.

• Først skal du strukturere det oprindelige system efter funktioner: i nøglefunktioner, der afspejler din kernekompetence, grundlæggende funktioner (f.eks. transportører eller transportsystemer), der strækker sig over hele systemet, og tillægs- eller hjælpefunktioner.

• Kombinér nu disse funktioner i moduler - men kun så detaljeret som nødvendigt! Tag højde for alle aspekter af mulig optimering og den nødvendige udstyrsvariation. Medtag så mange stadier af servicelevering som muligt i maskinens livscyklus.

• Vurder betydningen for det nyligt definerede maskinmodul af alle maskinens elementer, der ikke kan "opdeles" yderligere (sensorer, aktuatorer, HMI, drev osv.), og som kræver elektriske/elektroniske strøm-, signal- eller dataforbindelser.

• Tildel disse elementer til et passende maskinlag.

• Tildel alle nødvendige grænseflader til tilslutning af individuelle elementer til de respektive maskinmoduler.

Resultatet er en matrix, der viser alle moduler i det fremtidige system: Den hierarkiske opstilling af delene, inklusive grænseflader og deres modulrelevans, skal være synlig. Baseret på matricen kan du vurdere gennemførligheden, de tekniske risici og konsekvenserne for maskinens design. Gennemsigtigheden øges, når man vægter modulernes betydning for det samlede system. Matrixen viser ikke kun de involverede fraktioner, men også de videre trin i udviklingen af moduler og processer.

Spørgsmålet om det rigtige styresystem til maskinen eller anlægget kan nu også besvares lettere. HARTINGs observationer om dette emne viser, at...

• Systemer med en høj grad af variation i nøglefunktioner og en stor rumlig udstrækning har tendens til at være udstyret med decentrale I/O-systemer overalt.

• Kombinerede strukturer vælges til mindre, meget variable systemer. Styringen af nøgle- og basisfunktioner er derefter sat op centralt, mens yderligere funktioner styres enten centralt (enkle) eller decentralt (komplekse grænseflader), afhængigt af deres kompleksitet;

• for mindre og/eller enkle systemer med lav variabilitet er ren central styring enklere og mere økonomisk.

Den næsten absolutte frihed , der er forbundet med modulære produktionssystemer , påvirkes i høj grad af grænsefladerne. Disse komponenters transmissionskapacitet og handlemuligheder er med til at bestemme systemets modularitet. Derfor bør grænsefladerne ...

• altid være designet på en omkostningsoptimeret måde til de respektive krav (elektriske, EMC-egenskaber) til transmissionsvejen;

• være gradvist skalerbare med hensyn til tekniske parametre samt størrelse og antal på hvert maskinmodul;

• kunne opfylde forskellige krav med hensyn til materialer, kontakt, montering og beskyttelsestyper og integrere alternative transmissionsmedier som fiberoptiske kabler og trykluft.

_Referencer

1. VDMA, McKinsey, 2014, "Fremtidsudsigter for tysk maskinteknik"

2. Roland Berger, 2011, "Produktionssystemer 2020"

3. M. Bode, F. Bünting, K. Geißdörfer, "Rechenbuch der Lebenszykluskosten", VDMA Verlag, ISBN 978-3-8163-0617-7

4. Commerzbank, 2019, "Maskinteknik i Tyskland"

5. ID-Consult, "Modulariseringsstrategi 2018/2019: Modulære produktarkitekturers indflydelse på virksomhedens succes"