Аддитивное производство на умном предприятии:5 ключей к успеху

[Изображение предоставлено:3D Systems]

Развитие цифровых технологий коренным образом изменило способ работы производственных предприятий. Производственные мощности становятся все более взаимосвязанными, открывая путь к фабрикам будущего, также известным как умные фабрики.

Сегодня более одной трети заводов преобразованы в интеллектуальные объекты, и компании планируют открыть еще 40 процентов в течение следующих пяти лет.

Одной из ключевых технологий, способствующих переходу к интеллектуальным предприятиям, является аддитивное производство (AM), важный метод цифрового производства.

Однако интеграция AM в интеллектуальную фабрику сопряжена с рядом проблем. Помимо отсутствия возможности подключения и отслеживания, компании сталкиваются с трудностями, когда дело доходит до создания автоматизированного и безопасного рабочего процесса AM, основанного на принципах устойчивости.

Не учитывая эти факторы на раннем этапе, производители, стремящиеся сделать AM частью своих умных предприятий, будут бороться за масштабирование использования технологий по мере роста их операций.

Ниже мы подробно рассмотрим пять требований, необходимых для интеграции AM в интеллектуальное производство, и поделимся советами, решениями и подходами, которые помогут вам на пути к интеллектуальному производству.

Как AM вписывается в интеллектуальную фабрику?

Согласно отчету Capgemini, чтобы воспользоваться преимуществами умных заводов, почти 70% производителей вступили в путь цифровой трансформации.

На этом фоне оцифровки AM быстро становится ключевой технологией цифрового производства.

При использовании AM, или 3D-печати, процесс изготовления детали управляется программным обеспечением, что делает его сильно оцифрованным. Он включает в себя создание 3D-модели в САПР с последующим преобразованием ее в двухмерные слои, которые затем применяются один за другим во время печати. В отличие от традиционных процессов, в которых используются формы или режущие инструменты, единственный инструмент, необходимый для AM, - это 3D-принтер.

Несмотря на множество преимуществ AM, многие организации по-прежнему пытаются в полной мере использовать преимущества аддитивного производства как интеллектуального производственного решения. Причина этого часто кроется в отсутствии связи, автоматизации и безопасности, среди прочего, необходимых для масштабирования AM на умном предприятии.

5 ключей к успешной интеграции AM в умную фабрику

Мы определили 5 основных требований к AM, поскольку она становится частью экосистемы интеллектуального производства.

1. Связь и управление данными

В аддитивном производстве данные генерируются непрерывно на каждом этапе производства. Сюда входят данные от оборудования и материалов до данных из различных программных систем (ERP, PLM).

Чтобы иметь возможность использовать эти данные для анализа и операционных улучшений, важно убедиться, что ни одна часть оборудования или бит данных не остаются изолированными.

Промышленный Интернет вещей (IIoT) - это ключевая технология, обеспечивающая расширенные возможности подключения и сбора данных за счет использования датчиков, передатчиков, программного обеспечения и сетей.

IIoT предлагает возможность устранить разрозненность между эксплуатационными технологиями (машины AM и другое оборудование) и информационными технологиями (программное обеспечение и сети) для обеспечения непрерывной передачи данных в реальном времени.

Хотя новое поколение 3D-принтеров оснащено возможностями IIoT, производители все еще пытаются собрать и проанализировать данные, предоставляемые IIoT. Одна из основных проблем при использовании данных AM - это отключенные системы и ручные процессы, которые не позволяют получить доступ к данным в реальном времени.

Один из способов улучшить связь и доступ к данным - это использование специализированного программного обеспечения, которое может объединить ваши машины и программные системы, такие как ERP, PLM, в единую систему.

Создание такой системы возможно с помощью программного обеспечения Manufacturing Execution System (MES), которое служит централизованной платформой, соединяющей процессы AM.

Возможности подключения, обеспечиваемые программным обеспечением MES, предоставляют данные у вас под рукой, позволяя создать непрерывный поток соответствующих данных AM в реальном времени, который поддерживает полную прослеживаемость и быстрое принятие решений.

Например, программное обеспечение MES для AM может предоставлять возможности приборной панели для отслеживания и документирования KPI, связанных с общей эффективностью оборудования (OEE), таких как использование машины, производительность и время ремонта.

Это, в свою очередь, позволяет оптимизировать планирование производства AM, что лежит в основе расширенного использования AM на вашем цифровом предприятии.

Читайте также:AMFG сотрудничает с HP, чтобы обеспечить возможность подключения к системе для AM

2. Автоматизация

Одним из самых серьезных ограничивающих факторов для AM сегодня является стоимость человеческого труда для выполнения повторяющихся задач. Вот почему ключ к внедрению AM на интеллектуальных предприятиях лежит в сквозной автоматизации.

Благодаря сочетанию аппаратного и программного обеспечения, а также робототехники, датчиков и сетей автоматизация обеспечивает более рациональные процессы в рамках непрерывного цикла цифрового производства.

Автоматизация AM охватывает все уровни рабочего процесса AM, от проектирования до производства, обработки деталей и последующей обработки.

На этапе проектирования в настоящее время существуют решения, которые помогают автоматизировать некоторые части процесса проектирования, например создание поддержки.

Кроме того, инструменты проектирования, такие как оптимизация топологии, развиваются, чтобы помочь создавать и проверять лучшие проекты AM для данного приложения и технических требований.

На этапе производства есть возможность оптимизировать планирование и управление производством с помощью программного обеспечения MES. Программное обеспечение заменяет трудоемкие процессы, такие как ручная обработка заказов и управление проектами, за счет использования единой цифровой платформы.

Кроме того, оборудование для 3D-печати становится все более автоматизированным за счет использования датчиков, что позволяет осуществлять полный мониторинг процесса. Одним из примеров того, как компании могут извлечь выгоду из более интеллектуального оборудования, является удаленное обслуживание, которое в случае сбоя позволяет компаниям быстрее находить решение для обеспечения высокого OEE.

Среди всех этапов рабочего процесса AM постобработка AM долгое время была наименее автоматизированной. Сейчас ситуация меняется с появлением систем постобработки, ориентированных на автоматическую очистку, удаление порошка, удаление опор и окрашивание деталей, напечатанных на 3D-принтере.

Роботы и автоматизированные транспортные средства также играют растущую роль в автоматизации процессов AM, упрощая обработку деталей и операции загрузки / выгрузки.

3. Прослеживаемость

Прослеживаемость в настоящее время является одной из ключевых проблем, с которыми сталкиваются компании, внедряющие AM для производства.

В производстве прослеживаемость означает возможность отслеживать каждую деталь и продукт на протяжении всего производственного процесса, с момента поступления сырья на фабрику до момента отправки готовой продукции.

Важность прослеживаемости выходит за рамки возможного отзыва продукции - это также вопрос улучшения видимости производственного процесса и возможности отслеживать ключевые данные и оптимизировать процессы.

Спрос на прослеживаемость производственного процесса AM определяется несколькими факторами, в том числе:

• потребность в адекватных процессах качества
• необходимость в точных отчетах о производственных данных.
• требования клиентов

С введением нормативных требований, требований к отчетности и контролю качества необходимо решить текущую проблему отсутствия прослеживаемости в экосистеме AM и цепочке поставок, чтобы AM можно было интегрировать в интеллектуальную фабрику.

Одна из проблем - возможность отслеживать повторно используемый материал. Например, в технологии сварки в металлическом порошковом слое после завершения процесса печати некоторое количество металлического порошка остается нерасплавленным, и его можно просеять, а затем смешать с новым порошком в определенной пропорции.

Процесс повторного использования материалов должен быть отслеживаемым, чтобы конечные пользователи могли быть уверены, что они используют высококачественные материалы для изготовления критически важных деталей.

В настоящее время доступно несколько программных решений для отслеживания происхождения порошка, количества его повторного использования и в каких сборках он использовался.

Кроме того, прослеживаемость партии важна для обеспечения того, чтобы детали в каждой партии соответствовали любым стандартам безопасности или качества.

Например, если какая-то деталь выходит из строя, необходимо определить основную причину. Наличие системы, которая позволяет операторам отслеживать причину отказа детали, является фундаментальным примером прослеживаемости в работе. Без необходимых данных достичь такого уровня прослеживаемости невозможно.

Одним из примеров системы AM, которую компании используют для обеспечения прослеживаемости, является MES. Сквозная прослеживаемость, обеспечиваемая программным обеспечением MES, может создавать более эффективные процессы управления качеством с помощью инструментов анализа данных и бизнес-аналитики.

Возможность точно отслеживать, что произошло с вашими 3D-файлами и деталями и когда на протяжении жизненного цикла продукта, добавляет новый уровень качества процессов для AM, поскольку компании могут легко просматривать ключевые данные и оптимизировать процессы при возникновении ошибок или сбоев.

Создание отслеживаемых операций AM - первый шаг к использованию технологии в производстве, поскольку это помогает обеспечить прозрачность и подотчетность всей цепочки поставок, а также доказать, что продукты соответствуют определенным стандартам и отраслевым нормам.

Читайте также:5 способов наглядности производства в реальном времени для улучшения ваших операций с AM

4. Устойчивое развитие

На умном предприятии традиционная линейная производственная модель «бери, производила, утилизировала» больше не жизнеспособна. Интеллектуальное производство означает устойчивое производство, в котором компании стремятся к экономике замкнутого цикла, при которой сохраняются и повторно используются ресурсы, от исходного сырья до использованных расходных материалов.

Благодаря своей способности создавать более эффективные конструкции, требующие меньше материалов для производства, AM часто рассматривается как экологически безопасная технология.

Несмотря на эти преимущества, есть еще возможности для улучшения. Чтобы рационально использовать AM на умном предприятии, важно учитывать ключевые принципы устойчивого развития:

• Энергопотребление
• Повторное использование материала
• Управление отходами

Снижение энергопотребления

С точки зрения устойчивости темпы энергопотребления напрямую связаны с экологическими соображениями, такими как выбросы CO2.

Аддитивное производство, особенно с металлами, ни в коем случае не является энергосберегающей технологией.

Чтобы сделать AM частью вашего интеллектуального производства, вам потребуется найти способы компенсировать высокий уровень энергопотребления.

Один из способов сделать это - выбрать приложение, подходящее для данной технологии, и максимально оптимизировать его конструкцию. Оптимизированные конструкции дешевле и быстрее изготавливать. Кроме того, улучшенные конструкции приносят пользу системе, в которой будет использоваться аддитивно изготовленная деталь (например, автомобиль или самолет), делая ее более энергоэффективной.

Использование материалов как можно дольше

Еще один важный фактор устойчивости, который следует учитывать, - это возможность вторичной переработки и повторного использования материалов AM.

Хотя полимеры, используемые в AM, в большинстве случаев можно легко переработать, наибольшую озабоченность по поводу устойчивого использования материалов вызывает металл AM.

При внедрении металлических технологий AM, в которых используются порошковые металлы, очень важно разработать процесс надлежащей переработки и повторного использования металлических порошков. Это, например, включает создание строгого режима смешивания использованных и неиспользованных порошков для обеспечения прослеживаемости материалов.

Помимо повторного использования порошка AM, промышленность разрабатывает подходы к переработке лома в порошок, пригодный для аддитивного производства.

Например, компания 6K, ранее называвшаяся Amastan Technologies, вносит свой вклад в полностью замкнутую экономику с помощью своего процесса UniMelt. В нем используется запатентованный метод механического измельчения лома от механической обработки, такого как стружка и стружка, а также опор AM и забракованных деталей на мелкие частицы. Затем они проходят через плазменную систему для получения высококачественных порошков.

Управление отходами

Реальность AM такова, что он не безотходный по своей сути. Есть два основных источника отходов:один - это отходы постобработки, а другой - неудачные распечатки.

В большинстве случаев эти потоки отходов можно значительно минимизировать, если учесть их на этапах проектирования и подготовки к строительству.

Например, инженеры могут оптимизировать опорные конструкции, чтобы после завершения печати было удалено меньше материала опорной конструкции.

Отказ от печати можно предотвратить с помощью программного обеспечения для моделирования, которое дает представление о том, как деталь будет вести себя в процессе печати. С помощью моделирования становится проще прогнозировать проблемы печати, которые могут привести к сбоям печати, и устранять их на этапе проектирования.

В конечном итоге, при правильном подходе, возможность наладить почти безотходный процесс аддитивного производства вполне достижима.

5. Сквозная безопасность

По мере того, как отрасль стремится использовать преимущества интеллектуального производства для бизнеса, необходимость решения проблем кибербезопасности как никогда высока.

Без целостности, конфиденциальности и управления правами на AM-данные компании не смогут масштабировать AM на умном предприятии.

Это подтверждается тем фактом, что более трети производителей не хотят вкладывать средства в цифровые технологии из-за рисков для безопасности.

Опасения по поводу безопасности цифровых технологий, таких как AM, вполне обоснованы. Цифровые файлы содержат данные, относящиеся к характеристикам продукта и способу производства детали.

Несанкционированный доступ к таким данным может иметь серьезные последствия для бизнеса, например кражу или подделку данных, что представляет собой основную угрозу целостности интеллектуальной собственности компании.

При традиционном производстве кража одного предмета обычно не приводит к значительной потере дохода. С AM последствия могут быть гораздо более серьезными.

После компрометации файла проекта неуполномоченное лицо может получить доступ к запатентованным конструктивным особенностям детали, давая им план для воспроизведения объекта так часто, как они хотят, при условии, что у них есть подходящее оборудование.

Как следствие, безопасная цифровая передача данных AM внутри умной фабрики и внешним партнерам становится критически важной для обеспечения целостности данных.

Советы по обеспечению безопасности AM в среде умного предприятия

Есть несколько вещей, на которых вам нужно сосредоточиться, чтобы защитить данные AM на вашем умном предприятии.

Обучайте своих людей

Во-первых, вы должны признать, что пользователи могут быть вашей самой большой угрозой. Персонал может совершать ошибки, подвергающие риску данные или системы вашей компании, часто из-за того, что у них нет необходимой подготовки, чтобы научить их, как защитить бизнес, в котором они работают.

Вот почему вашей главной задачей должно стать обучение сотрудников и их мотивация обращать внимание на киберугрозы и меры противодействия.

Управляйте доступом к своим данным

Во-вторых, вам нужно сосредоточиться на том, как вы управляете доступом к данным, а также следовать методам шифрования и строгой аутентификации.

Несколько компаний разрабатывают решения безопасности для AM, позволяющие шифровать файлы проектов, поэтому только авторизованные пользователи имеют доступ к прилагаемым данным.

Переключитесь на безопасные форматы файлов

Еще одно соображение - принять стандартизованные форматы файлов, поддерживающие безопасную передачу данных и совместимость.

В то время как индустрия AM продолжает полагаться на старомодный формат файлов .stl, были предприняты шаги по замене его более эффективным форматом файлов, называемым .3mf. По сравнению с .stl, новый формат файла был разработан с учетом возможностей защиты данных, которые предотвращают коммерческое использование данных или их повреждение.

Инвестируйте в оборудование AM с учетом функций безопасности

Кроме того, поскольку возможности подключения к 3D-принтерам расширяются, вам необходимо сделать безопасность требованием во время процесса закупок. Поскольку ваше оборудование AM будет служить вам в течение многих лет, функции безопасности должны быть интегрированы в конструкцию оборудования, чтобы упростить обслуживание и защиту в высокосвязной заводской сети.

Хотя существует множество возможностей для защиты AM, суть в том, что не существует единого решения для решения всех проблем. Скорее, потребуются различные технологии для адекватной защиты AM производственного уровня на протяжении всего жизненного цикла.

Масштабирование AM на умном предприятии с помощью правильных инструментов

COVID-19 показал миру, что традиционные цепочки поставок и производственные экосистемы должны стать более адаптируемыми и гибкими, чтобы не отставать от изменений и проблем, вызванных текущим кризисом.

Одно из решений - использовать цифровые технологии, такие как AM, как часть движения к интеллектуальному производству.

Хотя многие компании внедряют AM, им необходимо использовать правильные инструменты и процессы для создания отслеживаемого, автоматизированного, безопасного и устойчивого рабочего процесса.

Большая часть этих требований может быть достигнута с помощью MES, разработанной для уникальных потребностей технологии AM.

Аддитивное программное обеспечение MES позволяет производителям объединить производственное планирование, планирование и реализацию в цифровой поток, который использует данные для достижения большей прозрачности и создания передовых процессов во всей организации.

Только со стратегической целью и правильными инструментами и технологиями производители могут заложить основу для долгосрочного успеха AM на своих заводах будущего.