Productie in 2050:de wereld op zijn kop?

Sterke trends zullen de productie in 2050 bijna volledig automatiseren, terwijl de mensen die nog steeds in de industrie werken, in staat zullen worden gesteld om snel te innoveren als nooit tevoren.

Jaren geleden voorspelde Warren Bennis:“De fabriek van de toekomst zal maar twee werknemers hebben, een man en een hond. De man zal er zijn om de hond te voeren. De hond zal er zijn om te voorkomen dat de man de apparatuur aanraakt.”

We zijn er nog niet helemaal. Maar een aantal krachtige en onderling verbonden trends zullen ons tegen 2050 dicht bij die staat brengen, terwijl de mensen die nog in de productie zitten, in staat zullen worden gesteld om snel te innoveren en te bouwen als nooit tevoren.

Multitasking en automatisering

Het is een veilige gok dat in 2050 de gemiddelde werktuigmachine volledig geautomatiseerd en capabeler zal zijn. Multitasking zal heel gewoon zijn, misschien bijna universeel. De trend is goed ingeburgerd.

Zoals industrieveteraan Scott Walker, voorzitter, Mitsui Seiki USA (Franklin Lakes, NJ) opmerkte:"In het begin van de jaren 2000 was de Noord-Amerikaanse markt voor vijfassige machines 150. Tegenwoordig zijn dat er 3000. Machines combineren ook slijpen en frezen, of laserdepositie en frezen, of slijpen en werkharden.” Hij voegde eraan toe dat hoewel het voordeel de mogelijkheid is om meer te bereiken binnen het werkbereik, de "nachtmerrie" ervoor zorgt dat al deze functies correct en consistent werken. "Maar dat zal veranderen naarmate technologie, monitoring en software allemaal beter worden."

De olifant in de kamer voor veel fabrikanten is de mate waarin 3D-printen de technologiemix zal veranderen, en verder de implicaties ervan voor productontwerp en tal van andere problemen. Tot nu toe hebben de snelheidsbeperkingen en de hoge grondstofkosten van additive manufacturing de levensvatbaarheid ervan ernstig beperkt, behalve prototyping. Maar Terry Wohlers, principal consultant en president, Wohlers Associates (Fort Collins, CO), zei dat snelheid tegen 2050 "geen vijand zal zijn".

Neem een ​​poederbedsysteem:het grootste deel van de productietijd zit in het traceren van het oppervlak met de laser om het materiaal te versmelten. "Maar er zijn nu systemen beschikbaar met veel lasers die tegelijkertijd op een bouwplatform werken", zei Wohlers. "De energie van een elektronenbundel kan worden opgesplitst in wel 100 bundels om het proces te versnellen." Aan de andere kant vergen deze benaderingen veel energie, wat kostbaar is. Wohlers denkt dat we die beperkingen zullen overwinnen, misschien door "de energie van de zon rechtstreeks te gebruiken om materiaal te smelten, in plaats van aan te sluiten op een 440-stopcontact."

Wohlers voegde eraan toe dat gerichte energiedepositie inherent sneller is dan de poederbedmethode voor het bouwen van metalen componenten, maar "gebruikers zijn beperkt in de objecten die ze kunnen maken en er is een compromis in resolutie, waarbij over het algemeen machinale bewerking en soms een aanzienlijke hoeveelheid nodig is. ” Dit brengt ons terug bij hybride systemen die additief combineren met CNC-frezen. Net als Walker gelooft Wohlers dat de problemen om deze twee benaderingen harmonieus samen te laten werken in de komende 32 jaar grotendeels zullen worden opgelost.

Een andere factor die pleit voor een groter gebruik van additieve technieken is een verwachte daling van de materiaalkosten en een breder scala om uit te kiezen. "De machines van vandaag werken bijvoorbeeld met slechts enkele tientallen thermoplasten," zei Wohlers, "maar er zijn er duizenden beschikbaar voor conventionele productie."

Misschien nog belangrijker, de polymeren die momenteel worden gebruikt in 3D-printen kosten tot 50 keer zoveel als vergelijkbare polymeren voor conventionele productie. Dat brengt het break-evenpunt in de honderden tot duizenden eenheden, afhankelijk van de grootte van het onderdeel. Maar Wohlers zei dat veel van de patenten op machines die onderdelen met polymeren produceren zijn verlopen, wat heeft geleid tot nieuwe machines die goedkopere materialen gebruiken. "Het break-evenpunt zal drastisch verbeteren, zodat het additief het spuitgieten zal uitdagen voor een veel breder scala aan producten, inclusief toepassingen met een hoger volume."

Er is een soortgelijk geval te maken voor metaal, maar Walker is bijvoorbeeld sceptisch dat additief een kostenprofiel in metalen zal bereiken dat vervanging van traditionele methoden rechtvaardigt. "Het is zoveel gemakkelijker om 60 ton te verwarmen en plaatstaal te walsen dan iets te bouwen met metaalpoeder of bekleding," zei Walker. “Ik zie additief als een functie die je in een machine-envelop kunt stoppen om waarde toe te voegen aan het proces. Maar ik beschouw additief niet als een vervangingsproces voor het maken van staal, tenzij de technologie verandert en we op het punt komen van moleculaire manipulatie met een ander soort energiebron.”

Additive manufacturing heeft nog één troef, althans voor sommige spelers:de mogelijkheid om formulieren te maken die anders onmogelijk zouden zijn. Dit opent niet alleen het potentieel voor nieuwe producten en functies, het helpt ook het snelheidsprobleem van 3D-printen te verminderen. Dat komt omdat een open roosterstructuur die mogelijk wordt gemaakt door 3D-printen, met veel minder materiaal de vereiste sterkte en stijfheid kan bereiken die nodig is voor veel toepassingen met veel minder materiaal dan een massieve structuur. En de productiesnelheid van 3D-printen is recht evenredig met het kubieke volume materiaal. Vreemde nieuwe structuren overlappen mooi met ons volgende onderwerp.

Geautomatiseerd, creatief ontwerp

Volgens Walker is de productie klaar om de grootste productiviteitswinst te behalen op twee gebieden, waaronder het digitaliseren van al het werk dat nodig is om een ​​productieproces voor te bereiden. “Vandaag de dag begint een ontwerper met een digitaal model en genereert dan een gereedschapspad … dan ontwerpt iemand een armatuur … dan krijg je een smeedstuk … dan voert een applicatie-ingenieur het programma naar de machine en gaat stuk voor stuk en bewaakt hoe de snijd geluiden en hoe het eruit ziet … en uiteindelijk laat hij de machine het onderdeel maken … en dan verfijnt hij alle bewegingen zodat hij de cyclustijd kan verkorten.” Het is eigenlijk nog erger omdat het verkrijgen van het oorspronkelijke ontwerp ook omslachtig is. Gelukkig werken veel slimme koppen hard om elk onderdeel van dit proces te vergemakkelijken en te versnellen.

Aan de voorkant helpt generatieve ontwerptechnologie een steeds grotere groep creatievelingen om snel nieuwe geometrische mogelijkheden te verkennen. In het geval van Fashion 360 van Autodesk (San Rafael, CA), draait de software in de cloud en maakt gebruik van machine learning en kunstmatige intelligentie (AI) om automatisch honderden ontwerpen te genereren die elk voldoen aan de criteria van de ontwerper voor sterkte, kosten, productiemethode , materiaal enzovoort. Bovendien, legt Bob Yancey uit, directeur productie en productiestrategie van Autodesk, zijn de ontwerpen "niet zomaar een onmogelijk te gebruiken geïdealiseerde geometrie, het zijn echt werkende CAD-modellen die verder kunnen worden gemanipuleerd in CAD-software."

Ze zijn ook wat Yancey 'productiebewust' noemt, wat betekent dat ze vanaf het begin begonnen met de gewenste productiemethoden die als een beperking waren ingebouwd. "Dus als u specificeert dat het onderdeel moet kunnen worden bewerkt op een vijfassige CNC, zullen al uw ontwerpopties aan die beperking voldoen", zei hij.

Het elimineert niet de noodzaak van een menselijke ontwerper. Zoals Yancey het uitdrukte:"Het beschrijven van de ontwerpuitdaging met precisie en expertise is een technische vaardigheid die niet zal verdwijnen. Wat generatieve ontwerpsoftware doet, is dat je meer ontwerpopties krijgt dan enig mens alleen zou kunnen bedenken, dus je hebt er meer vertrouwen in dat je veel meer opties overweegt en betere resultaten behaalt. We zien dit als een toekomst van co-creatie tussen ingenieur en computer, of menselijke intelligentie en kunstmatige intelligentie.”

Misschien nog diepgaander, de ontwerpen zijn vaak verrassend en superieur aan wat een mens zich had voorgesteld. Zoals Diego Tamburini, belangrijkste industrieleider – Manufacturing Industry Communities / Cloud + AI Division voor Microsoft (Redmond, WA) het verwoordde:“Als ik voor mijn CAD-tool zit om een ​​onderdeel te ontwerpen, heb ik al 1.000 vooroordelen over hoe het moet look gebaseerd op eeuwen van eerdere ontwerpen. AI heeft dergelijke noties niet. En hoewel ik het ermee eens ben dat het automatiseren van ontwerp een moeilijk probleem is en dat het moeilijk is om je een computer voor te stellen die complexe items ontwerpt, moeten we erkennen dat er daarentegen veel gevallen zijn waarin we leven met suboptimale menselijke ontwerpen."

Sommige van onze vooroordelen komen voort uit onze ervaring met grondstoffen die beperkt zijn tot blokken, staven en platen. Maar 3D-printen beperkt zich niet tot die grondstoffen. Het is ook niet beperkt in de vormen die het kan creëren.

Als je die beperkingen wegneemt en de AI laat werken, creëert generatief ontwerp vaak vormen die "compleet anders zijn dan we gewend zijn. Meer organisch, zoals botten van dieren,' zei Tamburini.
Wohlers herhaalde dit en zei dat de natuur uitstekende voorbeelden biedt van structuren met opmerkelijke sterkte-gewichtsverhoudingen. Tot voor kort produceerden 3D-printers rooster-, gaas- of celstructuren die werden gedefinieerd door ingeblikte programma's met weinig begrip van hun sterkte-eigenschappen. "De nieuwste tools voor topologie-optimalisatie kunnen geconstrueerde rooster- en gaasstructuren produceren met zekerheid van sterkte", zei Wohlers. "In de toekomst zouden we superlichtgewicht structuren kunnen zien in verschillende metaallegeringen die lichter zijn dan koolstofvezelcomposieten, wat tijdrovend en duur is om te produceren."

Tamburini zei dat hij gevallen heeft gezien waarin de computer met een tralievorm komt die geen vertrouwen wekt in de mens (het ziet er te licht en te dun uit), dus de ontwerper bedekt het met iets zodat het er steviger uitziet. Mensen blijven tenslotte mensen.

Het proces versnellen

Krisztina "Z" Holly, oprichter en hoofdaanstichter van Make It In LA (Los Angeles), onderstreepte het voordeel van het combineren van steeds slimmere software met 3D-printen en andere nieuwe technologieën (zoals virtual reality) om de iteratieve productontwikkelingscyclus enorm te versnellen. Naast de mogelijkheid om eerder in het proces meer feedback van de consument te krijgen, wat kan leiden tot veel betere producten, wees ze erop dat de nieuwe tools het ontwerp- en bouwproces democratiseren.

“Wat betekent dat voor hoe we innoveren en wie innoveert? Ik denk dat de wereld er heel anders uit zal zien als we niet-ingenieurs toestaan ​​om het soort producten te ontwerpen dat ze willen', zei ze. “Ook voor ondernemers wordt het makkelijker om een ​​maakbedrijf te starten. Wat voor soort producten komen er beschikbaar als mensen net zo gemakkelijk een bedrijf in fysieke producten kunnen starten als een bedrijf in digitale producten?”

Eén uitkomst die ze voor ogen heeft:“Twee sets vaardigheden worden ongelooflijk waardevol. Een daarvan is diepgaande technologische vaardigheden voor het coderen van deze systemen en het begrijpen van de kern van wat werkt en wat niet." De andere is empathisch begrip van de behoeften van de klant en marktkansen.

Welke vaardigheden worden minder kritisch? De machines daadwerkelijk laten draaien. Het proces van ontwerp tot CAM wordt min of meer geautomatiseerd. Zoals Walker uitlegde, als het ontwerpmodel informatie over het materiaal zou bevatten (zoals standaard wordt), zou de machine "de intelligentie moeten hebben om de rest te doen. Haal het juiste gereedschap uit een gereedschapsrek van 8.000 en volg de juiste gereedschapspaden met de juiste snelheden. De machine moet zicht- en hoorbare bewakingsmogelijkheden hebben om botsingen te voorkomen en ook de snijomstandigheden te meten en de snelheden en voedingen dienovereenkomstig aan te passen. Dat is wat applicatie-ingenieurs tegenwoordig doen. Hoeveel hebben we er over 30 jaar nodig? Hopelijk geen."

Dat gezegd hebbende, waarschuwde Holly voor een focus uitsluitend op banen. Ten eerste zullen er banen zijn - alleen andere, creatievere banen. En ten tweede:"Het belangrijkste is om innovatie lokaal te houden", zei ze. "Er zijn veel nadelen aan het verzenden van ontwerp en productie naar het buitenland. U verliest de controle over het intellectuele eigendom. Het is niet goed voor het milieu. En je verliest uit het oog wat er allemaal mogelijk is, tenzij je de productie zelf in handen hebt.”

Op bestelling gemaakt... Lokaal

Iedereen lijkt het erover eens te zijn dat de productie veel meer geografisch verspreid zal raken, een proces dat enorm wordt geholpen door de vermenigvuldigingscapaciteiten van individuele werktuigmachines. Yancey zei dat veel fabrikanten zowel het risico willen verminderen als producten dichter bij de klant willen brengen om ze beter aan de markt aan te passen.

Walker was het ermee eens en voorspelde ook dat transportkosten en milieueffecten bedrijven ertoe zullen aanzetten om lokaal te produceren. Hij voegde eraan toe dat er ook door de overheid verplichte compensaties zijn, waarbij een fabrikant een bepaald aantal onderdelen in een land moet produceren om producten in dat land te kunnen verkopen. Een andere drijfveer is het handhaven van winstgevendheid ondanks valutaschommelingen, een probleem dat nog wordt verergerd door krappere marges.

Tegelijkertijd zal er een veel grotere mate van maatwerk en een veel strakkere supply chain zijn. Zoals Tamburini samenvatte:“De praktijk van het voorspellen van de vraag en het massaal produceren van onderdelen om aan de verwachte vraag te voldoen, zal op zijn kop worden gezet. Het zal dichter bij de klant zijn om de fabrikant precies te vertellen wat ze willen en de fabrikant die het dan en alleen dan maakt. Digitalisering en automatisering maken deze droom technisch en zelfs economisch haalbaarder.”

Dit zou niet voor elk product gelden en de scheidslijnen tussen standaardisatie, maatwerk en personalisatie zijn vaag. Maar Tamburini is er zeker van dat de praktijk van het aanpassen van producten via een lijst met vooraf gedefinieerde opties exponentieel zal groeien. Sommige producten, zoals protheses en kleding, kunnen volledig gepersonaliseerd worden. Evenzo zullen de meeste fabrikanten algemene servicebureaus zijn en geen specialisten. De machines bouwen alles wat er via de cloud komt, op aanvraag.

Zoals Walker het uitdrukte:"Vandaag de dag heeft een bedrijf een contract van drie tot vijf jaar nodig om een ​​onderdeel te maken, omdat de kosten om een ​​machine te kopen, te programmeren en in te stellen om het onderdeel consistent en nauwkeurig te maken enorm zijn." Maak machines geautomatiseerd en multifunctioneel en elimineer een groot deel van de installatie-inspanningen en de productie wordt een wendbaarder bedrijf met misschien een lagere marge. Zoals Holly van Make It in LA het wil, worden het ontwerpproces en de ontwerptools en interfaces nog belangrijker.

Dingen neuriën

Meer digitalisering, "hyperconnectiviteit" en AI zouden ons vermogen om de productie draaiende te houden met een minimum aan mankracht en downtime aanzienlijk moeten verbeteren. Tamburini zei dat de meeste gegevens die nu worden verzameld, worden gebruikt om te volgen wat er in de fabriek en in de hele toeleveringsketen gebeurt. “Maar we beginnen ons af te vragen ‘waarom’ bepaalde dingen gebeuren en gebruiken AI om te voorspellen wat er zal gebeuren. De volgende fase in dit proces is het gebruik van AI en machine learning om autonome reacties mogelijk te maken.”

Met andere woorden, met voldoende gegevens om te analyseren, kan machine learning specifieke defecten aan onderdelen nauwkeurig voorspellen. Met goede beslissingsalgoritmen en kennis van alle productie-eisen op de werkvloer, kan het systeem ook zelf beslissen wat te doen aan de dreigende storing:het onderdeel bestellen, de uitvaltijd plannen, bepaalde taken naar andere machines verplaatsen, enzovoort. Je zou je zelfs een machine kunnen voorstellen die zichzelf repareert of de robot bestelt die dat kan, hoewel Walker zei dat hij niet denkt dat we ooit zullen ontsnappen aan de behoefte aan menselijke onderhoudstechnici. Hij denkt echter wel dat de machines hoorbaar zullen communiceren over wat er moet gebeuren - geen handheld-apparaten of schermen en bedieningselementen nodig.

Tamburini zei dat Microsoft een op het hoofd gemonteerd product (HoloLens) heeft waarmee je kunt communiceren met hologrammen om je heen. "Het legt digitale informatie bovenop de realiteit, waardoor je in zekere zin superkrachten krijgt. Mensen ontdekken dat augmented reality kan worden gebruikt om bijvoorbeeld montage-instructies, QC-instructies of onderhoudsinstructies te geven, waardoor de behoefte aan training wordt verminderd.” Een onderhoudsexpert op afstand kan bijvoorbeeld een plaatselijke technicus helpen door naar een onderdeel te wijzen of aan te geven hoe een onderdeel moet worden verplaatst, alsof ze allebei naar hetzelfde in dezelfde winkel kijken.

Ten slotte wees Tamburini erop dat een van de schoonheden van machine learning is dat "op het moment dat ze beter worden, die bekwaamheid of kennis onmiddellijk naar de hele wereld kan worden uitgezonden, omdat het slechts software is. Dus iedereen wordt slimmer en beter, ervan uitgaande dat we data kunnen delen.” Hij contrasteerde dit met het vertrouwen op een expert in de fabriek die zijn eigen jarenlange ervaring gebruikt om de geluiden van de machines en dergelijke te interpreteren. "Het is een hele uitdaging om dat soort kennis te verspreiden."

Wat verandert er niet

Voor zover het überhaupt ter sprake kwam, lijken de experts niet te denken dat de fabricageprecisie de komende 30 jaar veel zal verbeteren. "We werken nu aan toleranties waar de metrologie om de nauwkeurigheid te bepalen het grotere probleem is", zoals Walker het uitdrukte. "De volgende stap naar het verkrijgen van betere toleranties zou moleculaire manipulatie zijn", (wat niemand voor ogen had). Niemand leek te denken dat de bewerkingssnelheid ook aanzienlijk sneller zou zijn. Zelfs de eerder besproken verbetering van de 3D-printsnelheden zal meer evolutionair dan revolutionair zijn - niet zo significant als de productiviteitsstijging als gevolg van softwareverbeteringen. Evenzo is ons huidige vermogen om kleine componenten te produceren al verbazingwekkend. Wohlers noemde miniaturisatie 'deels een oplossing die op zoek is naar een probleem. Een van de weinige toepassingen zijn kleine sensoren die zijn ingebed in 3D-geprinte onderdelen.”

Als je je zorgen maakt over de veranderingen, kan Walker je misschien troosten met deze gedachte:"We hebben de productie sinds de jaren 1780 aangepast. De komende 30 jaar zullen meer tweaken zijn, tenzij we met iets echt revolutionairs komen.” Hij vroeg me of iemand zei dat ze hadden ontdekt hoe ze de zwaartekracht konden manipuleren, zodat we naar de maan konden vliegen zonder fossiele brandstoffen te verbranden, en het antwoord wisten. Nu ik erover nadenk, niemand noemde de hond die de man ervan weerhield veranderingen aan de machine aan te brengen.