Modulariteit in productietechniek: Hoe granulair kan het zijn?

Het principe van modulariteit kan het best worden uitgelegd aan de hand van legoblokjes: met een paar basisblokjes en gedefinieerde verbindingselementen kunnen ontelbare objecten met verschillende functies worden gemaakt. Deze aanpak is ook ingeburgerd in de industrie voor producten met een hogere mate van complexiteit en variabiliteit. In de besturings- en aandrijvingstechnologie kunnen systemen zoals PLC's, IPC's, HMI's en aandrijvingscomponenten worden samengesteld uit afzonderlijke "segmenten" of verschillende I/O-blokken op afstand, passend bij de betreffende machine. Het voordeel: ze kunnen zonder veel moeite worden uitgebreid of aangepast tijdens verder gebruik.

Er is momenteel geen alternatief voor modularisering in de machinebouw, aangezien de overeenkomstige concepten gericht zijn op een portfolio met minder variatie en complexiteit en een algemeen lager kostenniveau zonder de breedte en individualiteit van het aanbod te verminderen (1). Deze uitspraak is gemakkelijker te begrijpen als u de typische vereisten voor productiesystemen in overweging neemt:

1. Concepten zoals "individuele producten" en "Industrie 4.0" vereisen zeer variabele productiesystemen waarmee een breder scala aan producten kan worden vervaardigd, zelfs in kleinere hoeveelheden. Daarom moeten de systemen schaalbaar zijn en opties bieden voor latere uitbreiding (2).

2. Voor machinebouwbedrijven om hun klanten te bereiken, is het niet genoeg om goede producten te ontwikkelen en te verkopen - en te wachten op service-/onderhoudsopdrachten. Dit komt doordat levenscycluskosten (LCC) een steeds belangrijkere rol spelen bij de economische analyse van investeringen. LCC kan worden gebruikt om nieuwe bedrijfsconcepten, inclusief onderhoud, service en retrofitdiensten, op een zeer transparante manier te presenteren en te verkopen. Dit maakt het voor machinefabrikanten gemakkelijker om gebruikers te overtuigen van de voordelen van het uitgebreide dienstenaanbod dat de hele levenscyclus van de installatie omvat (3). De groeiende vraag naar abonnementsmodellen zoals "betalen per gebruik", "betalen per maand" en "betalen per eenheid" bevestigt deze trend. Gebruiks- en servicegerichte modellen zijn immers ook economisch aantrekkelijk: in 2018 bedroeg de gemiddelde marge op de verkoop van nieuwe machines 5,4%, terwijl dit voor diensten 40% was.(4)

3. Vooral bij dure kapitaalgoederen is het vaak voordeliger om bestaande machines uit te breiden en assemblages te vernieuwen dan om ze helemaal nieuw aan te schaffen.

4. Ten minste sommige klanten verwachten dat machinemodules of subsystemen van verschillende leveranciers zonder speciale inspanningen in bestaande systemen kunnen worden geïntegreerd.

Voordat OEM's echter besluiten om de modularisering van hun producten en productie door te zetten, moeten ze de volgende vragen bevestigend kunnen beantwoorden:

• Kunnen de geschatte totale kosten van een nieuwe, consequent modulaire productgroep op plausibele wijze worden terugverdiend binnen het gebruikelijke tijdsbestek voor de industrie en op basis van worst-case veronderstellingen voor verdere marktontwikkeling?

• Vinden alle betrokken afdelingen de uitdagingen van het geplande herontwerp van de machine of het systeem haalbaar?

• Zijn alle betrokken bedrijfsonderdelen bereid om hun werkmethoden af te stemmen op het nieuwe modulaire concept?

Het is ook belangrijk om te verduidelijken in welke mate een machine of systeem in modules moet worden verdeeld. Het genie van LEGO ligt niet in de bouwstenen zelf, maar in de verbindingen ertussen. Deze bepalen de mogelijke granulariteit van de verdeling, maar zijn ook de beperkende factor voor de verbinding van componenten. De situatie is vergelijkbaar met de interfaces in een machine: zij zorgen voor een coherente "algemene structuur" door de goede werking van de machineonderdelen en productielijnen te garanderen. De juiste scheiding van de bouwstenen van het "totaalsysteem" van elkaar is daarom essentieel voor succesvolle modularisatie.

• Eerst structureert u het initiële systeem volgens functies: in sleutelfuncties die uw kerncompetentie weerspiegelen, basisfuncties (bijv. draag- of transportsystemen) die zich over het hele systeem uitstrekken, en extra functies of hulpfuncties.

• Combineer deze functies nu tot modules - maar zo granulair als nodig! Houd rekening met alle aspecten van mogelijke optimalisatie en de benodigde apparatuurvariantie. Neem zoveel mogelijk stadia van dienstverlening op in de levenscyclus van de machine.

• Beoordeel de betekenis voor de nieuw gedefinieerde machinemodule van alle elementen van de machine die niet verder "opgedeeld" kunnen worden (sensoren, actuatoren, HMI, aandrijvingen, enz.) en die elektrische/elektronische voedings-, signaal- of gegevensverbindingen nodig hebben.

• Wijs deze elementen toe aan een geschikte machinelaag.

• Wijsalle benodigde interfaces voor het aansluiten van afzonderlijke elementen toe aan de respectieve machinemodules.

Het resultaat is een matrix met alle modules van het toekomstige systeem: De hiërarchische rangschikking van de onderdelen, inclusief interfaces en hun module-relevantie, moet zichtbaar zijn. Op basis van de matrix kunt u de haalbaarheid, technische risico's en gevolgen voor het ontwerp van de machine evalueren. De transparantie neemt toe als u het belang van de modules voor het totale systeem afweegt. De matrix toont niet alleen de betrokken fracties, maar ook de verdere stappen in de ontwikkeling van de modules en processen.

De vraag naar het juiste besturingssysteem voor de machine of installatie kan nu ook gemakkelijker worden beantwoord. HARTING's observaties over dit onderwerp geven aan dat...

• Systemen met een hoge mate van variabiliteit in sleutelfuncties en een grote ruimtelijke omvang worden meestal uitgerust met gedecentraliseerde I/O-systemen.

• Gecombineerde structuren worden gekozen voor kleinere, zeer variabele systemen. De besturing van sleutel- en basisfuncties wordt dan centraal opgezet, terwijl extra functies ofwel centraal (eenvoudige) of decentraal (complexe interfaces) worden bestuurd, afhankelijk van hun complexiteit;

• voor kleinere en/of eenvoudige systemen met een lage variabiliteit is een zuivere centrale regeling eenvoudiger en economischer.

De bijna absolute vrijheid die bij modulaire productiesystemen hoort, wordt op doorslaggevende wijze beïnvloed door de interfaces. De transmissiecapaciteiten en actiemogelijkheden die deze componenten bieden, bepalen mede de modulariteit van het systeem. Daarom moeten de interfaces ...

• altijd op een kostengeoptimaliseerde manier worden ontworpen voor de respectieve vereisten (elektrisch, EMC-eigenschappen) van het transmissiepad;

• geleidelijk schaalbaar zijn in termen van technische parameters, grootte en aantal op elke machinemodule;

• kunnen voldoen aan verschillende vereisten op het gebied van materialen, contact, montage en beschermingstypes, en alternatieve transmissiemedia kunnen integreren, zoals glasvezelkabels en perslucht.

_Referenties

1. VDMA, McKinsey, 2014, "Toekomstperspectieven voor de Duitse machinebouw"

2. Roland Berger, 2011, "Productiesystemen 2020"

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

4. Commerzbank, 2019, "Werktuigbouwkunde in Duitsland"

5. ID-Consult, "Modularisatiestrategie 2018/2019: De invloed van modulaire productarchitecturen op zakelijk succes"