Miniaturyzacja systemów produkcyjnych: Jak daleko można się posunąć?

Istnieje wiele przykładów postępującej miniaturyzacji systemów technicznych. Prawo Moore'a" mówi na przykład, że gęstość integracji mikroprocesorów podwaja się co 18 miesięcy. Obecnie oznacza to, że w jednym chipie upakowanych jest około 35 miliardów tranzystorów. Kolejnym istotnym przykładem jest smartfon. W ciągu ostatnich 20 lat z telefonu komórkowego stał się zintegrowanym urządzeniem komunikacyjnym, nawigacyjnym, rozrywkowym i profesjonalnym urządzeniem wielofunkcyjnym. Tendencja do "kondensacji" funkcji i właściwości technicznych dała już początek nowym dyscyplinom technicznym: tam, gdzie granica między elektroniką a mechaniką coraz bardziej się zaciera, mówimy teraz o mechatronice. Fakt, że miniaturyzacja struktur technicznych jest ogólnym trendem, nie może być jednak obserwowany tylko w przypadku dóbr konsumpcyjnych. Weźmy na przykład rakietę Falcon Heavy firmy SpaceX, obecnie najpotężniejszą rakietę nośną na świecie, która jest filigranowa w porównaniu do historycznie najpotężniejszej rakiety "Saturn V" w programie Apollo. SpaceX oszczędza energię i inne zasoby - a także jest częściowo wielokrotnego użytku.

Argumentuje się, że trend ten może mieć ograniczony wpływ na maszyny i rośliny, ponieważ.. 

• w przeciwieństwie do typowych układów mikroprocesorowych lub smartfonów, są one instalowane i obsługiwane w środowisku przemysłowym; 

• zużywają znacznie mniej energii niż spektakularne systemy, takie jak rakiety nośne

Zarzut ten traci na znaczeniu, gdy zrozumiemy, że miniaturyzacja nie jest celem samym w sobie, lecz "środkiem do celu". W sensie technicznym każde bardziej ekonomiczne i wydajne rozwiązanie jest "miniaturyzacją", która wymaga mniejszej produkcji, zużycia lub innych materiałów i optymalizuje wykorzystanie energii, pracy i innych zasobów - o ile zapewniona jest wymagana funkcjonalność, a zarówno konstrukcja modułów i komponentów maszyn, jak i sekwencje w procesie produkcyjnym pozostają spójne.

W związku z tym oszczędność materiałów i energii jest faktycznym celem, który miniaturyzacja ma osiągnąć. Aby prawidłowo i kompleksowo ocenić koszty i korzyści miniaturyzacji w systemach produkcyjnych, konieczne jest uwzględnienie zarówno punktu widzenia producentów OEM w zakresie budowy maszyn i urządzeń, jak i punktu widzenia klientów końcowych/operatorów. Analiza kosztów cyklu życia / kosztów cyklu życia (LCC) - opracowana przez Niemiecką Federację Inżynierów (VDMA) - może służyć jako wytyczne dla podejścia systemowego. Ponadto procedura może być bardzo zorientowana na cel, zgodnie z odpowiednimi sekcjami wytycznych VDI 4800 BLATT 1 (Pomiar i ocena efektywności wykorzystania zasobów / luty 2016 r.). Standardy i metody takiej analizy oraz środki pochodne zostały opisane tutaj. Obserwacja szczególnie udanych firm HARTING Kundencompanies pokazuje, że takie analizy muszą obejmować systematyczną listę potencjałów. Ostatecznie wdrożenie tych środków zapewni przewagę konkurencyjną, która będzie rozwijana w trakcie cyklu życia systemu produkcyjnego.

Na tej podstawie można wyprowadzić następujące etapy innowacji - stopniowane według wydatków:  

1. Optymalizacja poprzez redukcję rozmiarów, uproszczenie, minimalizację kosztów materiałów i wykorzystanie progresywnych nowych materiałów do istniejących komponentów, modułów i kompletnych systemów w oparciu o rosnące podstawowe know-how OEM oraz dzięki zastosowaniu coraz bardziej precyzyjnych narzędzi i metod CAE.  

2. Zmniejszenie rozmiaru komponentów, agregatów i modułów maszyn poprzez połączenie dwóch lub więcej jednostek funkcjonalnych, które wcześniej działały oddzielnie, a tym samym zwiększenie stopnia integracji tych jednostek. 

3. Wykorzystanie innowacyjnych technologii i/lub połączenie istniejących i nowych technologii dla komponentów, agregatów i modułów - dążenie do osiągnięcia znacznych oszczędności materiałowych i kosztowych lub wzrostu wydajności, które do tej pory nie były możliwe.  

Podczas gdy redukcja i usprawnianie są częścią codziennej działalności producentów OEM zajmujących się inżynierią mechaniczną - i dlatego nie wymagają wyjaśnienia - dwa bardziej złożone czynniki/poziomy wymagają wyjaśnienia i zostaną zilustrowane przykładami.  

Poniższe przykłady ilustrują innowacyjne efekty połączenia wcześniej oddzielnych jednostek funkcjonalnych:

W oparciu o udane wzorce zachowań klientów HARTING działających w dziedzinie inżynierii mechanicznej, można wyprowadzić ogólne procedury i zalecić kroki, które są niezbędne do uzyskania ukierunkowanych oszczędności materiałowych i miniaturyzacji systemów produkcyjnych. Ogólnie rzecz biorąc, zaleca się ocenę potencjału oszczędności i miniaturyzacji poszczególnych modułów maszyny lub całego systemu przy użyciu standardów i metod oceny, o których już wspomnieliśmy (np. zgodnie z analizami czasu cyklu życia VDMA (1) lub wytycznymi VDI 4800 SHEET 1 (2)). Zalecana jest następująca procedura:  

• Rozważenie systemu wyjściowego oddzielnie według modułów maszyny, jednostek i funkcji oraz nadanie im priorytetów zgodnie z jednym z zalecanych systemów. Celem jest nadanie wyższego priorytetu tym elementom, które mają największy udział materialny lub kosztowy w systemie. W ten sposób można zidentyfikować części o największym potencjale oszczędności.  

• W drodze "analizy eksperckiej" dążącej do tych samych celów, co powyżej, często odkrywane są dodatkowe, mniej oczywiste potencjały optymalizacyjne tkwiące w systemie; 

• Następnie systemy o największym potencjale oszczędności mają być oceniane z innego punktu widzenia, a mianowicie według..  

  • Kluczowe funkcje, które odzwierciedlają podstawowe kompetencje OEM;  

  • Podstawowe funkcje (np. systemy nośne lub transportowe), które obejmują cały system  

  • Funkcje dodatkowe lub pomocnicze, które są bardziej zgodne z ogólnym stanem techniki i mają drugorzędne znaczenie dla producenta OEM.  

• Na ostatnim etapie eksperci powinni ocenić możliwość zastosowania trzech etapów innowacji opisanych powyżej pod względem miniaturyzacji dla wszystkich elementów maszyn o wysokim priorytecie. 

Wyniki oceny powinny być przedstawione w formie możliwie abstrakcyjnej matrycy. Zaletą jest to, że tworzona jest matryca wyników, która ocenia wykonalność, ryzyko techniczne i potencjalne oszczędności. Umożliwia to przegląd i zapewnia solidne uzasadnienie techniczne i ekonomiczne dla kolejnych konkretnych kroków w miniaturyzacji i wynikającego z tego procesu rozwoju. Porównanie zbudowanej matrycy z wynikami regularnych ocen okresowych pozwala na skuteczne korekty i przejrzystą prezentację realizacji celów w fazie rozwoju.  W trakcie ukierunkowanej optymalizacji materiałów i miniaturyzacji części systemów produkcyjnych można odkryć ogromny potencjał oszczędności. Dzięki zaledwie kilku etapom rewizji i przeróbek, producent OEM może uzyskać bardziej przejrzyste maszyny, które są zoptymalizowane pod względem kosztów i wymagań - a użytkownik końcowy generalnie osiąga znaczne oszczędności energii i zasobów.

Grupa Technologiczna HARTING wspiera miniaturyzację w inżynierii mechanicznej i zakładowej, dostarczając rozwiązania dla wszystkich interfejsów niezbędnych w nowoczesnym sterowaniu, napędach, HMI i technologii komunikacyjnej dla systemów produkcyjnych. Decydującym czynnikiem jest to, że miniaturyzacja nie pociąga za sobą żadnych ograniczeń funkcjonalnych. Te same trzy poziomy innowacyjności można prześledzić w produktach i rozwiązaniach dla interfejsów przemysłowych, które w zależności od poziomu miniaturyzacji i stopnia integracji są odpowiednie dla danego zastosowania.

W zasadzie nie ma dolnej granicy miniaturyzacji, a przynajmniej nie takiej, którą można by przypisać interfejsom. W końcu to nie interfejsy, ale funkcjonalność i rozmiar systemu są "zasadą przewodnią" miniaturyzacji - również w technologii produkcji. Jak potwierdza wieloletnia współpraca HARTING z klientami, najlepsze wyniki w zakresie "skalowania w dół" w inżynierii mechanicznej i zakładowej można osiągnąć właśnie wtedy, gdy wymagania producentów OEM są połączone z praktycznym doświadczeniem producentów interfejsów dla różnych gałęzi przemysłu i zastosowań. Skutkuje to innowacyjnymi rozwiązaniami, które otwierają drogę do elastycznych, technicznie i ekonomicznie zoptymalizowanych rozwiązań - i wskazują drogę do dalszych horyzontów przyszłego rozwoju.  

Źródło:
<sub>1. Bode, F. Bünting, K. Geißdörfer, "Rechenbuch der Lebenszykluskosten", wydawnictwo VDMA, ISBN 978-3-8163-0617-7
2. VDI 4800 Część 1:2016-02,</sub> "Efektywne gospodarowanie zasobami - podstawy metodologiczne, zasady i strategie"