Üretim mühendisliğinde modülerlik: Ne kadar granüler olabilir?

Modülerlik ilkesi en iyi Lego tuğlaları örnek alınarak açıklanabilir: birkaç temel tuğla ve tanımlanmış bağlantı elemanları, farklı işlevlere sahip sayısız nesne oluşturmak için kullanılabilir. Bu yaklaşım, daha yüksek derecede karmaşıklığa ve değişkenliğe sahip ürünler için endüstride de yerleşik hale gelmiştir. Kontrol ve tahrik teknolojisinde PLC'ler, IPC'ler, HMI'lar ve tahrik bileşenleri gibi sistemler, ilgili makineye uyacak şekilde ayrı "dilimlerden" veya birkaç uzak I/O bloğundan monte edilebilir. Avantajı: daha sonraki kullanım sırasında büyük çaba sarf etmeden genişletilebilir veya değiştirilebilirler.

Şu anda makine mühendisliğinde modülerleştirmenin alternatifi yoktur, çünkü ilgili konseptler daha az çeşitlilik ve karmaşıklığa sahip bir portföyün yanı sıra teklifin genişliğini ve bireyselliğini azaltmadan genel olarak daha düşük bir maliyet seviyesini hedeflemektedir (1). Üretim sistemleri için tipik gereksinimler göz önünde bulundurulduğunda bu ifadeyi anlamak daha kolaydır:

1. "Bireysel ürünler" ve "Endüstri 4.0" gibi kavramlar, daha küçük miktarlarda bile daha geniş bir ürün yelpazesinin üretilmesini sağlayan son derece değişken üretim sistemleri gerektirmektedir. Bu amaçla, sistemler ölçeklenebilir olmalı ve sonraki genişlemeler için seçenekler sunmalıdır (2).

2. Makine mühendisliği şirketlerinin müşterilerine ulaşması için iyi ürünler geliştirip satmak ve servis/bakım siparişlerini beklemek yeterli değildir. Bunun nedeni, yaşam döngüsü maliyetlerinin (LCC) yatırımların ekonomik analizinde giderek daha önemli bir rol oynamasıdır. LCC, bakım, servis ve güçlendirme hizmetleri de dahil olmak üzere yeni iş konseptlerini çok şeffaf bir şekilde sunmak ve satmak için kullanılabilir. Bu durum, makine üreticilerinin kullanıcıları tesisin tüm yaşam döngüsünü kapsayan genişletilmiş hizmet yelpazesinin avantajları konusunda ikna etmesini kolaylaştırmaktadır (3). "Kullanım başına ödeme", "aylık ödeme" ve "birim başına ödeme" gibi abonelik modellerine yönelik artan talep bu eğilimi doğrulamaktadır. Sonuçta, kullanım ve hizmet odaklı modeller ekonomik açıdan da cazip: 2018'de yeni makine satışlarında ortalama marj %5,4 iken, hizmetlerde bu oran %40'tı(4)

3. Özellikle yüksek fiyatlı sermaye malları söz konusu olduğunda, mevcut makineleri genişletmek ve montajları yenilemek, bunları tamamen yeni satın almaktan genellikle daha ekonomiktir.

4. En azından bazı müşteriler, farklı tedarikçilerden gelen makine modüllerinin veya alt sistemlerinin özel bir çaba gerektirmeden mevcut sistemlere entegre edilebilmesini beklemektedir.

Ancak OEM'ler ürünlerinin ve üretimlerinin modülerleştirilmesi konusunda ilerlemeye karar vermeden önce aşağıdaki sorulara olumlu yanıt verebilmelidir:

• Yeni, sürekli modüler bir ürün grubunun tahmini toplam maliyeti, sektör için olağan zaman dilimi içinde ve daha fazla pazar gelişimi için en kötü durum varsayımlarına dayanarak makul bir şekilde telafi edilebilir mi?

• İlgili tüm departmanlar, makine veya sistemin planlanan yeniden tasarımının ortaya çıkardığı zorlukların uygulanabilir olduğunu düşünüyor mu?

• İşletmenin etkilenen tüm bölümleri çalışma yöntemlerini yeni modüler konseptle uyumlu hale getirmeye hazır mı?

Bir makine veya sistemin ne ölçüde modüllere ayrılması gerektiğini açıklığa kavuşturmak da önemlidir. LEGO'nun dehası, yapı taşlarının kendisinde değil, aralarındaki bağlantılarda yatıyor. Bunlar bölünmenin olası ayrıntı düzeyini belirler, ancak aynı zamanda bileşenlerin bağlantısı için sınırlayıcı faktördür. Bir makinedeki arayüzlerde de durum benzerdir: makine parçalarının ve üretim hatlarının düzgün çalışmasını garanti ederek tutarlı bir "genel yapı" sağlarlar. Bu nedenle "genel sistemin" yapı taşlarının birbirinden doğru şekilde ayrılması, başarılı bir modülerleştirme için şarttır.

• İlk olarak, başlangıç sistemini işlevlere göre yapılandırın: temel yetkinliğinizi yansıtan kilit işlevler, tüm sisteme yayılan temel işlevler (örneğin taşıyıcı veya taşıma sistemleri) ve eklenti veya yardımcı işlevler.

• Şimdi bu işlevleri modüller halinde birleştirin - ancak yalnızca gerektiği kadar ayrıntılı olarak! Olası optimizasyonun tüm yönlerini ve gerekli ekipman farklılığını dikkate alın. Makine yaşam döngüsü boyunca mümkün olduğunca çok sayıda hizmet sağlama aşamasını dahil edin.

• Makinenin daha fazla "bölünemeyen" (sensörler, aktüatörler, HMI, sürücüler, vb.) ve elektrik/elektronik güç, sinyal veya veri bağlantıları gerektiren tüm unsurlarının yeni tanımlanan makine modülü için önemini değerlendirin.

• Bu elemanları uygun bir makine katmanına atayın.

• Her bir elemanı ilgili makine modüllerine bağlamak için gerekli tüm arayüzleri atayın.

Sonuç, gelecekteki sistemin tüm modüllerini listeleyen bir matristir: Parçaların hiyerarşik düzenlemesi, arayüzler ve bunların modüllerle ilgisi de dahil olmak üzere görünür olmalıdır. Matrise dayanarak, makinenin tasarımı için fizibilite, teknik riskler ve sonuçları değerlendirebilirsiniz. Şeffaflık, modüllerin genel sistem için önemini tarttığınızda artar. Matris sadece ilgili kesirleri değil, aynı zamanda modüllerin ve süreçlerin geliştirilmesindeki diğer adımları da gösterir.

Makine veya tesis için doğru kontrol sistemi sorusu da artık daha kolay yanıtlanabiliyor. HARTING'in bu konudaki gözlemleri şunu gösteriyor.

• Temel işlevlerde yüksek derecede değişkenliğe ve geniş bir mekansal kapsama sahip sistemler, baştan sona merkezi olmayan I/O sistemleriyle donatılma eğilimindedir.

• Kombine yapılar daha küçük, çok değişken sistemler için seçilir. Anahtar ve temel işlevlerin kontrolü daha sonra merkezi olarak ayarlanırken, ek işlevler karmaşıklıklarına bağlı olarak ya merkezi (basit) ya da merkezi olmayan (karmaşık arayüzler) olarak kontrol edilir;

• düşük değişkenliğe sahip daha küçük ve/veya basit sistemler için saf merkezi kontrol daha basit ve daha ekonomiktir.

Modüler üretim sistemleriyle ilişkili neredeyse mutlak özgürlük , arayüzler tarafından belirleyici bir şekilde etkilenir. Bu bileşenler tarafından sunulan iletim kapasiteleri ve eylem seçenekleri, sistemin modülerliğini belirlemeye yardımcı olur. Bu nedenle, arayüzler ...

• her zaman iletim yolunun ilgili gereksinimleri (elektrik, EMC özellikleri) için maliyet açısından optimize edilmiş bir şekilde tasarlanmalıdır;

• teknik parametrelerin yanı sıra her bir makine modülündeki boyut ve sayı açısından kademeli olarak ölçeklendirilebilir;

• malzemeler, temas, montaj ve koruma türleri açısından farklı gereksinimleri karşılayabilmeli ve fiber optik kablolar ve basınçlı hava gibi alternatif iletim ortamlarını entegre edebilmelidir.

_Referanslar

1. VDMA, McKinsey, 2014, "Alman makine mühendisliği için gelecek beklentileri"

2. Roland Berger, 2011, "Üretim Sistemleri 2020"

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

4. Commerzbank, 2019, "Almanya'da makine mühendisliği"

5. ID-Consult, "Modülerleşme Stratejisi 2018/2019: Modüler Ürün Mimarilerinin Kurumsal Başarıya Etkisi"