Digitaal Gereedschapsbeheer: Geünificeerde, Klantgerichte Oplossingen voor Moderne Productie

De focus op digitalisering in ontwerp en bewerking heeft het belang en de voordelen van meer geavanceerde digitale gereedschapsbeheer (DTM) systemen belicht. Hoewel dit een grote mate van differentiatie heeft gegenereerd, en enige verwarring met betrekking tot een algemeen geaccepteerde systeemdefinitie, heeft het geleid tot de evolutie van doelen en mogelijkheden die zowel meer uitgebreid als meer klantgericht zijn.

Terwijl veel eerdere ontwikkelingen in de productie met betrekking tot zowel hardware als software gemarkeerd waren door bedrijfsrivaliteiten tussen bouwers en ontwikkelaars die het proces belemmerden, zijn vooruitgang in gereedschapsbeheersystemen veel meer coöperatief en daardoor sneller en effectiever geweest.

Onder de drijvende krachten die DTM-ontwikkeling beïnvloeden zijn: de behoefte aan gereedschapsbeheer in geautomatiseerde systemen en steeds meer in kleine- tot middelgrote complex onderdeelproductie op jobshop-niveau; de vestiging van standaarden zoals ISO 13399; coöperatieve programma's zoals MTConnect en diverse subprogramma's onder de noemer van Industry 4.0; en klantvraag naar systemen die grotere efficiëntie, meer flexibiliteit en, waar nodig, meerdere leveranciersrelaties bieden.

Op dit moment variëren systeemaanbiedingen van individuele modules die beperkte functies uitvoeren tot complete pakketten die zich uitstrekken van het CAM-station naar de shopfloor. Corsin Buerer, start-up lead, manufacturing data management bij Siemens PLM Software (Plano, TX), stelde: "We zien DTM als een sleutelcomponent van het totale informatiesysteem, inclusief software om de verschillende aspecten van gereedschapsvereisten te organiseren, het vermogen om de behoeften van automatisering te beantwoorden en een capaciteit om gereedschappen te integreren in de CAM-functie. Natuurlijk, vanwege de reeks klanten die we bedienen, moeten we in staat zijn om een brede selectie van configuraties aan te bieden die zich aanpassen aan individuele fabricantbehoeften."

Alexander Zoller, president van Zoller Inc. (Ann Arbor, MI), visualiseert het DTM-systeem als een "digital twin" voor alle relevante productieprocessen. "Ons systeem omvat een digitale tweeling gereedschapsbibliotheek, alsmede complete bewerkings/gereedschapsfunctionele informatie, wat de machine, de gereedschaphouder, de gereedschapspecificatie, geometrie en alle andere data die doorheen het proces vereist zijn, omvat. Informatie moet beschikbaar zijn voor iedereen, van de CAM-programmeur tot productiebeheer."

Bij het beoordelen van de kenmerken die cruciaal zullen zijn voor nieuwe DTM-systemen, neemt Jeff Rizzie, director, digital machining sales, Americas, voor Sandvik Coromant (Fair Lawn, NJ), een breed perspectief. "Hoewel veel fabrikanten typisch beginnen met een basis min/max-systeem om gereedschappen aan te vullen, zien we de ontwikkeling van full-function systemen als essentieel voor de toekomst. In het bouwen van deze systemen is ons hoofddoel om betere manieren te bieden om data te leveren op basis van hoe die informatie door de klant geconsumeerd zal worden."

Klantgevoeligheid is cruciaal voor het proces. "Onze aanbiedingen omvatten volledige integratie van alle informatie en processen gerelateerd aan het productieproces," zei Gregg Bigleman, director, North America, voor TDM Systems (Schaumburg, IL). "Dit zal bedrijven in staat stellen om eenvoudiger over te gaan op intelligente digitaal-gekoppelde productie. Het kritieke element is dat alles uit een enkele-brondatabase komt."

De beschikbaarheid van gereedschapsdata wordt eveneens als essentieel gezien door Tyler Martin, STEP technicus bij Seco Tools LLC (Troy, MI). "De gemakkelijke beschikbaarheid van data is cruciaal. We maken onze gereedschapsinformatie beschikbaar via modules die uit de cloud gedownload kunnen worden. Onze naleving van ISO 13399 verzekert klanten dat de juiste informatie er zal zijn wanneer ze het nodig hebben en makkelijk te begrijpen is."

Walter AG (Tübingen, Duitsland) was een vroege voorvechter voor gereedschapsbeheersystemen en biedt vandaag de dag full-service capaciteit aan grotere klanten. Florian Böpple, manager digital manufacturing, merkte op: "Onze vroege inspanningen op gereedschapsbeheer omvatten automaten. Vandaag de dag stellen onze logistieke systemen ons in staat om met een bedrijf te partneren door een totaalpakket te integreren dat hen in staat stelt de gereedschapsbeheerfunctie uit te besteden. In de hoogste uitbreidingsstaat plaatsen we mensen full-time bij de klanten en kopen we alle gereedschappen — zelfs sommige van concurrenten. We zorgen voor voorafinstelling, technische operatie en optimalisatie op machines. Dit stelt de fabrikant in staat om zich te concentreren op hun kernbusiness en het gereedschapsbeheer in handen van professionals te leggen."

Als een responsvehicle, zal DTM evolueren op een manier die vooruitgang in productie en de visie van betrokken gereedschapsbedrijven combineert. Zoals Alexander Zoller beknopt uitdrukte: "Functioneel zal er elk jaar een nieuw systeem zijn."

TDM System's Bigleman benadrukte de noodzaak om "meerdere faciliteiten overal ter wereld te verbinden," wat doorlopende efficiëntie zal bieden. Bij Siemens benadrukte Buerer, senior product marketing manager, de logische voortgang van DTM vanaf de begin: "We zijn opgestegen van de ontwikkeling van een digitale gereedschapsbibliotheek naar systemen gewijd aan fysiek gereedschapsbeheer. Dit zou zowel de locatie van elk gereedschap binnen het productieproces als gereedschappen in voorraad omvatten, omdat dit continue uitdagingen poseert in een lopende productieomgeving."

Rizzie van Sandvik Coromant citeerde ook het pad van systeemontwikkeling. "Historisch waren gereedschapsbeheersystemen gebaseerd op statische berekeningen van gereedschapsvoorraden en bijbehorende updates. In de moderne omgeving is dit verouderd en moeten we overgaan op dynamische trending van real-time data, inclusief on-machine status. In feite bewegen we van discrete naar interactieve systemen."

Walter werkt aan een multi-channel concept door het gebruik van gereedschapsbeheer "cockpits." Böpple legde uit: "Een cockpit zal een rapport voor het management ontwikkelen over economieën over tijd om definitive besparingen in het totale proces te definiëren door een basislijprestatie te vestigen. Duidelijk is het niet aan de klant om de logistieke gereedschapsdata te kennen. Door onze expertise in te corporeren, kunnen we betekenisvollere en effectievere informatie bieden, vooral wanneer het aankomt op het bewerkingsproces. Een verdere cockpit zal ons bij Walter de prestatiedata geven die ons in staat stelt om gereedschapsprestaties te verbeteren."

Klantinput en -eisen

Significante factoren in de verbetering van digitale gereedschapsbeheersystemen zijn klantinput en -eisen. De synthese voortvloeiend uit klantbehoeften en gereedschapsfabrikantenervaring ontluikt als misschien wel de meest significante bijdrage aan het uitbreiden van de meer standaardmogelijkheden van DTM-systemen.

Martin van Seco Tools citeerde het verzoek om verbeterde gereedschapsdatabibliotheken toepasbaar op CAM-systemen. "CAM-capaciteit zal absoluut noodzakelijk zijn voor gereedschapsbeheersystemen om hun volle potentieel te bereiken." Zei Zoller: "Klanten beginnen met het bekijken van het grote plaatje, en vragen ons dan om met hen te werken aan het ontwikkelen van specifieke oplossen. Bijvoorbeeld, er is doorgaans een waargenomen verspilling in tijd besteed aan het zoeken naar specifieke gereedschappen. Door adequate controles te introduceren, kunnen we dat probleem oplossen. We zien ook andere verzoeken voor 3D-toepassingen, alsmede mobiele mogelijkheden die via mobiele telefoon en tablet kunnen communiceren."

Rizzie was het ermee eens. "Bij Sandvik Coromant kijken we uit naar een starterplatform dat de verbinding van additionele applicaties mogelijk maakt. In deze context is het echter noodzakelijk voor de leverancier om de manier aan te tonen waarop elke nieuwe applicatie toevoegt aan de waardestroom."

Terwijl de initiële ontwikkelingsfase van DTM grotendeels het domein was van grote OEM's en overeenkomstig grote gereedschapsfabrikanten, wordt de industrie ook bevolkt door een menigte van kleinere gereedschapsbedrijven, velen van welke zowel verkoop- als adviseursrelaties onderhouden met eindgebruikers, met name jobshops en kleinere fabrikanten. De beweging richting digitalisering brengt noodzakelijkerwijs de vraag op wat er met die bronnen zal gebeuren.

Walter's Böpple ziet een komende "uitschudding" die zoveel te maken heeft met standaardisatie als met DTM. "Er is een lopende strijd geweest tussen laag-niveau leveranciers en premium leveranciers. Die op het lagere eind zijn echt niet gemotiveerd om in systemen in welke capaciteit dan ook te bewegen. Hun grootste dreiging komt uit het feit dat gereedschappen, vooral op commodity-niveau, steeds meer op elkaar gaan lijken."

Zoller ziet een plek voor kleinere bedrijven, mits ze sleutelvereisten vervullen. "De kleinere bedrijven moeten efficiënter worden. We zien een kans voor hen in het bedienen van de kleinere klantenbasis in partnerschap met bedrijven als de onze. Feitelijk vullen ze onze catalogus en database aan."

Een aantal dienstverlenende bedrijven die de kloof overbruggen tussen grotere DTM-leveranciers en kleine gereedschapsfabrikanten, zal waarschijnlijk ook toenemen. Volgens Buerer: "Bedrijven die serieus zijn over het behoud van hun positie en zelfs groeien, zullen in staat zijn om leveranciers te benaderen die hun data kunnen aanvullen. Bovendien zullen kleine fabrikanten die gespecialiseerd zijn in bepaalde gereedschapsdisciplines, zoals draadfrezen, ook een niche vinden en het voordeel hebben van partnerschap met grotere bedrijven die DTM leveren."

Een significante factor in het overleven en de groei van kleinere gereedschapsleveranciers wordt geciteerd door Martin. "Deze bedrijven kunnen niet alleen op bestaande systemen in een vorm van partnerschap graften, maar dankzij de cloud zal hun servicecapaciteit uitgebreider en efficiënter worden."

Vervolgsteun voor de kleinere gereedschapsleveranciers zal komen in de vorm van open platformstrategieën geïncorgeerd door diverse grote spelers. "We zijn 'brand agnostic'," stelde Rizzie. "Elk gereedschap kan verbinden binnen ons systeem. Ik denk dat alle majors uiteindelijk dit zullen zien dankzij dergelijke overkoepelende programma's als ISO 13399 en MTConnect."

De leiderschap in DTM getoond door de grote gereedschapsfabrikanten en hun klanten, alsmede hun verschillende operationele filosofieën en kenmerken, roept de vraag op over schaalbaarheid. De mate waarin meer uitgebreide systemen bewerkt kunnen worden tot meer compacte configuraties, of gemodulariseerd, is grotendeels afhankelijk van hun inherente doelen en oorspronkelijke ontwikkeling.

Böpple merkte de hoge mate van differentiatie op. "De meest effectieve DTM-systemen zijn per definitie uitgebreid en, als zodanig, minder beschikbaar voor kleinere bedrijven. Dit zal zo blijven zolang grote bedrijven systemen willen die direct implementeerbaar zijn en die niet alleen een uitgebreid blauwdruk vereisen maar mogelijk ook sleutelwijzigingen. Kleinere bedrijven kunnen modules in een stuksgewijze manier implementeren, maar eerlijk gezegd is dat geen holistisch systeem."

Martin voorziet dat "naarmate meer protocollen standaard worden, meer aspecten van DTM beschikbaar zullen komen voor kleinere operaties." Het feit dat Seco Tools' systeem oorsprong had als een combinatie van meerdere componenten afgeleid van een uitgebreide en gediversifieerde gereedschapsbibliotheek, maakt de systemen, in de woorden van Buerer, "zeer schaalbaar."

Noodzaak voor een Langetermijnplan

Bigleman citeerde het belang van een langetermijnplan in de ontwikkeling van elk systeem. "Elk van onze voorstellen is specifiek ontwikkeld voor de individuele klant op basis van hun behoeften. Het kan simpel beginnen en een gefaseerd implementatieplan hebben of een alomvattende aanpak vanaf het begin incorporeren."

Rizzie neemt een andere benadering en ziet een flexibel, multi-tiered pad waarbij kleine tot middelgrote DTM-pakketten met gestandaardiseerde componenten beschikbaar zullen zijn om de behoeften van kleinere operaties te vervullen.

Een groeiende verscheidenheid aan systemen, modules en benaderingen roept eveneens de vraag op over implementatie, wat een beslissende factor kan zijn bij de aankoopbeslissing van een klant. Böpple citeert het belang van uitgebreide planning voor DMS-succes. "We adviseren onze klanten om te verduidelijken waar ze willen zijn — en dat gaat ver voorbij gereedschapsbeheer. Vanuit het algehele plan, leiden we een strategie af, kiezen en incorporeren we de beste partners en implementeren we de oplossing. We waarschuwen onze klanten niet bang te zijn voor veranderingen of overmacht te zijn door overmatige data. Resultaten zijn oneindig preferable ten opzichte van verwarring."

Martin adviseert het hele systeem tegelijk te incorporeren: "Dit heeft niet alleen zin vanuit een operationeel oogpunt maar ook van een financieel. Door te kiezen voor een eenmalige kosten, vermijdt de klant onvoorziene add-ons en extras."

"Een voorzichtige benadering ten aanzien van zware interne betrokkenheid aan de kant van de klant is verplicht," stelde Zoller. "Het is het belangrijkst om een team te plaatsen. Dit bespaart niet alleen tijd maar stelt de mensen die het meest vertrouwd zijn met de processen in staat om een interne kijk te nemen. Dan, prioriteer kerngebieden en implementeer in fasen."

Buerer pleit voor een paradigma-verschuiving voor grote bedrijven en een "start en dan uitbreiden" strategie voor kleinere. "Het succes van een groot systeem is zwaar afhankelijk van voorbereiding en training, en mensen vinden het veel logischer om het hele concept tegelijk te begrijpen. Waar dit niet financieel of operationeel mogelijk is, raden we aan om te beginnen met een specifieke afdeling of set machines, te leren over het systeem en het gewenste uiteindelijke resultaat te definiëren, en dan daaruit uit te breiden."

Invloed van Industry 4.0

Het is duidelijk dat Industry 4.0-initiatieven een primaire kracht zijn achter de adoptie van DTM. De snelheid en omvang waarmee het geïmplementeerd wordt, varieert afhankelijk van de urgentie van de gebruiker om zich te conformeren aan de protocollen.

Wat betreft uitbreiding, ziet Buerer de noodzaak voor systemen die verder gaan dan alleen het gereedschap. "Als bedrijven hun automatiseringscapaciteit willen vergroten, moeten ze zich abonneren op de noodzaak voor DTM. Verder mogen de digitale systemen niet stoppen bij gereedschappen, maar moeten ook spanning- en meetbeheer includeren."

Zoller ziet DTM als "precies een fit in 4.0-initiatieven. De enige effectieve manier om alle bronnen te benutten is via een gedeeld systeem. Dit bevordert de efficiëntie die de balanspositief beïnvloedt — kosten dryven de toolkamer van vandaag en we bewegen naar een volledig geautomatiseerde robotische toolkamer." Volgens Martin: "Het volledig gedigitaliseerde productiesysteem moet van noodzaak holistisch van aard zijn. DTM is een kritisch deel van de mix. Abonnees zijn serieus over Industry 4.0."

Opmerkte Rizzie: "In het hart van Industry 4.0 zit het concept van connectiviteit. Gereedschapsbeheer moet interconnected zijn om de dynamische data te leveren die registreert en uiteindelijk zal beïnvloeden alles van geoptimaliseerde cycli tot gereedschapslevensduur."

Hoewel er algemene overeenstemming is over de noodzaak voor DTM, leiden de verschillende interpretaties van hoe dergelijke systemen gebouwd en geïmplementeerd moeten worden en wat ze moeten omvatten, natuurlijk tot een visualisatie van waar dergelijke protocollen in de nabije tot middellange toekomst zullen zijn. Een verdere factor betreft de manieren waarop het systeem zal omvatten of aanpassen aan nieuwe en niet-traditionele methoden, materialen en technologieën.

Bigleman voorziet een revolutie in communicatie: "Op korte termijn kan er geen 'silos' meer zijn. Communicatie moet duidelijk zijn en de industrie moet het idee van transparante communicatie in alle processen, systemen en afdelingen omarmen. Naarmate nieuwe technologieën opduiken, zullen leveranciers de software en hardware ontwikkelen die ze allemaal verbindt."

Zoller voorziet "een voortgaande ontwikkeling van DTM-systemen die van nature nieuwe materialen en technologie zullen omarmen, met name gerelateerd aan de capaciteit van klanten om hun eigen gereedschappen te produceren."

Böpple gelooft dat nabije termijn leiderschap in Industry 4.0 in de metaalbewerkingsindustrie zal worden geleverd door grotere OEM's en gereedschapsbedrijven en zich zal richten op gereedschapsoptimalisatie als primaire doel. "De gereedschapsfabrikant moet assisteren in het processtroom, van CAM, planning, inkoop en toepassing. Dit zal het makkelijker maken om het beste gereedschap efficiënter te vinden — zelfs als dat een wereldwijde productzoektocht inhoudt zoals we het leveren door gebruik van GPS."

Met betrekking tot nieuwe technologieën, voorziet hij meer printen van werkstukken, vooral in de auto- en luchtvaartindustrie, met nadruk op lichter gewicht en verbeterde metaalstructuur. Echter, conventionele gereedschappen zullen nog steeds vereist zijn.

"Naarmate sommige klanten de capaciteit ontwikkelen om hun eigen half-fabrikaten te creëren, moeten ze tegelijkertijd bepalen welke methoden en gereedschappen in het afwerkingsproces gebruikt zullen worden," zei Böpple. "Voor de meeste klanten zal dat nog steeds gelden voor het ruwbewerkingsproces, vooral aangezien de complexiteit van bewerking blijft toenemen door nieuwe materialen en legeringen. Zo'n taak vereist uitgebreide ervaring en kennis, en met veel experts die pensioengerechtigde leeftijd bereiken, zal het cruciaal zijn om nieuwe mensen te trainen."

Volgens Buerer: "Op korte termijn zullen DTM-systemen opgeroepen worden om meer 3D-data te leveren, alsook simulatiemogelijkheden. Veel van de 3D-data zal van gereedschapsfabrikanten moeten komen die met klanten zullen werken om voedingen en snelheden te optimaliseren, voorraad te minimaliseren en de deur open te zetten voor grotere feedback van gereedschappen en bewerkingsprocessen."

Een verhoogde nadruk op snelle data-creatie en/of -opvraging is essentieel, volgens Martin. Wat nieuwe technologieën betreft, gelooft hij dat "omdat de instapkosten erg hoog zijn, het incorporeren van geavanceerde additieve productie niet economisch haalbaar zal zijn voor de meeste klanten. Gegeven de input vereist in termen van hardware, software en mensen, zou de ontwikkeling van hooggespecialiseerde gereedschappen het beste in partnerschap met gereedschapsfabrikanten gedaan worden."

Rizzie observeerde dat connectiviteit op alle niveaus de hoofddrijfveer van DTM in de nabije tot middellange termijn zal zijn. "Versnelde connectiviteit zal in een aantal gevallen de noodzaak voor gespecialiseerde gereedschappen definiëren, wat in sommige instanties printen vereist. De cruciale factor hier betreft de ontwikkeling van materialen die de beste resultaten kunnen leveren."

De veel uiteenlopende richtingen in DTM wijzen erop dat starre protocollen ongeschikt zijn. In een dynamische productieomgeving gekenmerkt door revolutionaire ontwerpen, nieuwe en in sommige gevallen gecustomiseerde materialen, en methoden en machines onhoorbaar een korte tijd geleden, is de traditionele definitie van "gereedschap" verbreed. Evenzo vereist het geoptimaliseerde gebruik van alle inputs en assets in productie systemen die zowel interactieve als discrete functies kunnen accommoderen. Zoals Rizzie observeerde: "Met digitalisatie bewegen we van tribale kennis naar systeemkennis."

Hoewel een toenemend segment van de productiegemeenschap de noodzaak en onvermijdelijkheid van DTM-systemen erkent, varieert het begrip van hoe die protocollen gedefinieerd, geïmplementeerd en uiteindelijk gebruikt zullen worden, wijd. Terwijl standaarden inclusief ISO 13399, Industry 4.0, en MTConnect een zekere mate van structuur hebben bijgedragen, gaat het debat voort over wat het systeem moet omvatten (alleen gereedschappen of gereedschappen, spannen en aanverwante apparatuur), wie verantwoordelijk moet zijn voor het lopende beheer van het systeem (faciliteitspersoneel vs. gereedschapsfabrikanten/leveranciers), hoe ver DTM functioneel moet reiken en welke afdelingen moeten worden opgenomen (productieoperaties, financieel, management), en hoe het systeem moet evolueren van implementatie in de toekomst.

Wat ooit als een meer gesofistikeerde versie van de toolkamer had kunnen worden vorgestellt, wordt verder gecompliceerd door de snelle versnelling in de ontwikkeling van productietechnologieën en de uitdaging gepresenteerd door geheel nieuwe alternatieven, inclusief additieve productie en nanotechnologie, die de definitie van wat een gereedschap uitmaakt vervagen.

Uit de vele draden van deze disruptive technologie lijkt het alsof DTM-systemen van noodzaak hooggecustomiseerd en continu zullen evolueren op basis van factoren waaronder de aard van onderdelen en materialen, de mate van automatisering, en de gewenste resultaten. Duidelijk is dat modularisatie een grote rol blijft spelen.