Miniatyrisering av produktionssystem: Hur långt kan man skala ner?

Det finns många exempel på den fortskridande miniatyriseringen av tekniska system. Moores lag" innebär till exempel att integrationstätheten hos mikrochip fördubblas var 18:e månad. Idag innebär det att cirka 35 miljarder transistorer ryms på ett enda chip. Smarttelefonen är ett annat framträdande exempel. Under de senaste 20 åren har den utvecklats från en mobiltelefon till en integrerad multifunktionell enhet för kommunikation, navigering, underhållning och yrkesutövning. Trenden mot att "kondensera" funktioner och tekniska egenskaper har redan gett upphov till nya tekniska discipliner: där gränsen mellan elektronik och mekanik blir alltmer suddig talar vi nu om mekatronik. Det faktum att miniatyriseringen av tekniska strukturer är en allmän trend kan dock inte bara observeras inom konsumentvaror. Ta till exempel SpaceX:s bärraket Falcon Heavy, som för närvarande är världens mest kraftfulla bärraket, som filigran jämfört med den historiskt mest kraftfulla "Saturn V"-raketen i Apolloprogrammet. SpaceX sparar energi och andra resurser - och är dessutom delvis återanvändbar.

Argumentationen går ut på att trenden ändå bara skulle kunna ha en begränsad inverkan på maskiner och växter, eftersom.. 

• till skillnad från vanliga mikroprocessor-IC:er eller smartphones installeras och drivs dessa i en industriell miljö; 

• de förbrukar mycket mindre energi än spektakulära system som t.ex. bärraketer

Invändningen förlorar sin betydelse när vi förstår att miniatyrisering inte är ett mål i sig utan ett "medel för att nå ett mål". I teknisk mening är varje mer ekonomisk och effektiv lösning en "miniatyrisering" som kräver mindre produktion, konsumtion eller andra material och optimerar användningen av energi, arbetskraft och andra resurser - så länge som den nödvändiga funktionaliteten säkerställs och både utformningen av maskinmodulerna och komponenterna och sekvenserna i produktionsprocessen förblir konsekventa.

Följaktligen är besparingar av material- och energiresurser det egentliga målet som miniatyriseringen syftar till att uppnå. För att kunna göra en korrekt och heltäckande bedömning av kostnaderna och fördelarna med miniatyrisering i produktionssystem är det nödvändigt att beakta både OEM-företagens synvinkel inom maskin- och anläggningskonstruktion och slutkundernas/operatörernas synvinkel. LCC-analysen (Life Cycle Costs/Life Cycle Costs), som utvecklats av den tyska ingenjörsorganisationen VDMA, kan tjäna som riktlinje för ett systemorienterat tillvägagångssätt. Dessutom kan förfarandet vara mycket målinriktat enligt de lämpliga avsnitten i VDI 4800 BLATT 1-riktlinjen (Mätning och utvärdering av resurseffektivitet / februari 2016). Här beskrivs standarderna och metoderna för en sådan analys och de härledda åtgärderna. Observationer av särskilt framgångsrika HARTING-kundföretag visar att sådana analyser måste omfatta en systematisk förteckning över potentialer. I slutändan kommer genomförandet av åtgärderna att ge konkurrensfördelar som kommer att utvecklas under ett produktionssystems livscykel.

Av detta kan man härleda följande innovationsstadier - graderade efter utgifter - enligt decisiven:  

1. Optimering genom downsizing, förenkling, minimering av materialkostnader och användning av nya progressiva material för befintliga komponenter, moduler och kompletta system baserat på OEM:s ökande kärnkunskap och tack vare användning av alltmer exakta CAE-verktyg och metoder.  

2. Minskning av storleken på komponenter, aggregat och maskinmoduler genom att kombinera två eller flera funktionella enheter som tidigare fungerat separat och därigenom öka integrationsgraden för dessa enheter. 

3. Användning av innovativ teknik och/eller kombination av befintlig och ny teknik för komponenter, aggregat och moduler - i syfte att uppnå betydande material- och kostnadsbesparingar eller produktivitetsvinster som hittills inte har varit möjliga.  

Medan nedskärningar och effektiviseringar är en del av den dagliga verksamheten för OEM-företag inom maskinteknik - och därför är självförklarande - kräver de två mer komplexa faktorerna/nivåerna en förklaring och kommer att illustreras med hjälp av exempel.  

Följande exempel illustrerar de innovativa effekterna av att kombinera tidigare separata funktionella enheter:

Baserat på framgångsrika HARTING-beteendemönster hos kunder som är verksamma inom maskinteknik kan allmänna förfaranden härledas och steg kan rekommenderas som är nödvändiga för riktade materialbesparingar och miniatyrisering av produktionssystem. I allmänhet är det lämpligt att utvärdera besparings- och miniatyriseringspotentialen för enskilda maskinmoduler eller för hela systemet med hjälp av de standarder och utvärderingsmetoder som vi redan har nämnt (t.ex. enligt livscykeltidsanalyserna från VDMA (1) eller riktlinjen VDI 4800 SHEET 1 (2)). Följande förfarande rekommenderas:  

• Att betrakta utmatningssystemet separat enligt maskinmoduler, enheter och funktioner och att prioritera dem enligt ett av de rekommenderade systemen. Syftet är att ge högre prioritet åt de delar som utgör den största material- eller kostnadsandelen av ett system. På så sätt kan de delar som har störst besparingspotential identifieras.  

• Med hjälp av en "expertanalys" med samma mål som ovan upptäcks ofta ytterligare, mindre uppenbara optimeringspotentialer som är inneboende i systemet; 

• Därefter ska de system som har störst besparingspotential utvärderas ur en annan synvinkel, nämligen enligt..  

  • Nyckelfunktioner som återspeglar OEM-företagets kärnkompetens;  

  • Grundläggande funktioner (t.ex. bärar- eller transportsystem), som sträcker sig över hela systemet  

  • Tilläggs- eller hjälpfunktioner som är mer i linje med den allmänna tekniska nivån och som är av sekundär betydelse för OEM-tillverkaren.  

• I det sista steget bör tillämpbarheten av de tre innovationsstegen som beskrivs ovan när det gäller miniatyrisering för alla högprioriterade maskinelement utvärderas av experter. 

Resultaten av utvärderingen bör presenteras i en så abstrakt matris som möjligt. Fördelen med detta är att en resultatmatris skapas som utvärderar genomförbarhet, tekniska risker och potentiella besparingar. Detta ger en överblick och en sund teknisk och ekonomisk motivering för nästa konkreta steg i miniatyriseringen och den utvecklingsprocess som följer. Genom att jämföra den uppbyggda matrisen med resultaten från regelbundna interimsutvärderingar kan effektiva korrigeringar göras och måluppfyllelsen under utvecklingsfasen presenteras på ett transparent sätt.  I samband med riktad materialoptimering och miniatyrisering av delar av tillverkningssystem kan enorma besparingspotentialer utnyttjas. Med bara några få reviderings- och omarbetningssteg kan OEM-tillverkaren få mer transparenta maskiner som är optimerade med avseende på kostnader och krav - och slutanvändaren gör i allmänhet avsevärda besparingar i energi och resurser.

HARTING Technology Group stöder miniatyrisering inom maskin- och anläggningsteknik genom att tillhandahålla lösningar för alla gränssnitt som är viktiga i modern styr-, driv-, HMI- och kommunikationsteknik för tillverkningssystem. Den avgörande faktorn är att miniatyriseringen inte medför några funktionella begränsningar. Samma tre innovationsnivåer kan spåras i produkter och lösningar för industriella gränssnitt, som beroende på miniatyriseringsgrad och integrationsgrad är lämpliga för respektive applikation.

I princip finns det ingen nedre gräns för miniatyriseringen, åtminstone inte en gräns som kan hänföras till gränssnitten. När allt kommer omkring är det inte gränssnitten utan systemets funktionalitet och storlek som är den "vägledande principen" för miniatyrisering - även inom tillverkningstekniken. HARTINGs samarbete med sina kunder har under många år bekräftat att de bästa resultaten vid "nedskalning" inom maskin- och anläggningskonstruktion kan uppnås just när kraven från OEM-tillverkare kombineras med den praktiska erfarenheten från gränssnittstillverkare för olika branscher och applikationer. Detta resulterar i innovativa lösningar som öppnar vägen för flexibla, tekniskt och ekonomiskt optimerade lösningar - och visar vägen till nya horisonter för framtida utveckling.  

Referens:
<sub>1. Bode, F. Bünting, K. Geißdörfer, "Rechenbuch der Lebenszykluskosten", VDMA förlag, ISBN 978-3-8163-0617-7
2. VDI 4800 Del 1:2016-02,</sub> "Resurseffektivitet - metodologiska grunder, principer och strategier"