Productie in 2050: Hoe Automatisering en Menselijke Innovatie de Toekomst Zullen Vormgeven

Krachtige trends zullen productie dicht bij volledige automatisering duwen tot 2050, terwijl de mensen die nog in de industrie werken in staat zullen worden om als nooit tevoren snel te innoveren en te bouwen.

Jaren geleden voorspelde Warren Bennis dat, "De fabriek van de toekomst zal maar twee werknemers hebben, een man en een hond. De man zal er zijn om de hond te voeden. De hond zal er zijn om de man ervan te weerhouden de apparatuur aan te raken."

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

Multitasking en Automatisering

Het is een veilige weddenschap dat de gemiddelde werktuigmachine tot 2050 volledig geautomatiseerd en capabeler zal zijn. Multitasking zal algemeen zijn, misschien bijna universeel. De trend is goed gevestigd.

Als industrieveteraan Scott Walker, voorzitter, Mitsui Seiki USA (Franklin Lakes, NJ) observeerde: "In de vroege jaren 2000 was de Noord-Amerikaanse markt voor vijf-as machines 150. Vandaag is het 3.000. Machines combineren ook slijpen en frezen, of laser metaldepositie en frezen, of slijpen en werkverharding." Hij voegde toe dat hoewel het voordeel de mogelijkheid is om meer binnen de werkruimte te bereiken, de "nachtmerrie" is geweest om al deze functies goed en consistent te laten functioneren. "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 daarbuiten, de implicaties voor productontwerp en een hoop andere kwesties. Tot nu toe hebben de snelheidsbeperkingen en hoge grondstofkosten van additieve productie de haalbaarheid ervan buiten prototyping streng beperkt. Maar Terry Wohlers, principal consultant en president, Wohlers Associates (Fort Collins, CO), zei dat snelheid "geen vijand meer zal zijn" tot 2050.

Neem een poederbedsysteem: Het grootste deel van de productietijd zit in het traceren van het oppervlak met de laser om het materiaal te smelten. "Maar systemen zijn nu beschikbaar met veel lasers die gelijktijdig op een bouwplatform werken," zei Wohlers. "De energie van een elektronenbundel kan opgesplitst worden in zo veel als 100 bundels om het proces te versnellen." Aan de andere kant vereisen deze benaderingen veel energie, wat duur is. Wohlers denkt dat we die beperkingen zullen overwinnen, misschien door "de energie van de zon direct te benutten om materiaal te smelten, in plaats van in een 440-aansluiting te steken."

Wohlers voegde toe dat gerichte energie-depositie inherent sneller is dan de poederbedmethode voor het bouwen van metallische componenten, maar "gebruikers zijn beperkt in de objecten die ze kunnen creëren en er is een afweging in resolutie, doorgaans vereisend bewerking, en soms een aanzienlijk bedrag." Dit brengt ons terug naar hybride systemen die additieve productie combineren met CNC-frezen. Als Walker, gelooft Wohlers dat de problemen om deze twee benaderingen harmonieuze te laten werken grotendeels opgelost zullen zijn in de komende 32 jaar.

Een ander argument voor groter gebruik van additieve technieken is een verwachte daling in materiaalkosten en een breder aanbod om uit te kiezen. "Vandaag de dag werken machines met slechts een paar dozijn thermoplasten, bijvoorbeeld," zei Wohlers, "maar duizenden zijn beschikbaar voor conventionele productie."

Misschien nog belangrijker, de polymeren die momenteel in 3D-printen worden gebruikt, kosten tot 50 keer zoveel als vergelijkbare polymeren voor conventionele productie. Dat stelt het break-even punt in de honderden tot duizenden eenheden afhankelijk van de grootte van het onderdeel. Maar Wohlers zei dat veel van de octrooien op machines die onderdelen produceren met polymeren zijn verlopen, wat leidt tot nieuwe machines die goedkopere materialen gebruiken. "Het break-even punt zal dramatisch verbeteren zodat additieve productie spuitgieten voor een veel breder scala producten zal uitdagen, inclusief hogere volume toepassingen."

Er is een vergelijkbaar geval te maken voor metaal, maar Walker, voor één, is sceptisch dat additieve productie een kostenprofiel in metalen zal bereiken dat het vervangen van traditionele methoden rechtvaardigt. "Het is zoveel makkelijker om 60 ton te verwarmen en plaatstaal te walzen dan iets te bouwen met gemetaaliseerd poeder of cladding," zei Walker. "Ik kijk naar additieve productie als een functie die je in een machine-envelop kunt zetten om waarde toe te voegen aan het proces. Maar ik kijk niet naar additieve productie als een vervangingsproces voor het maken van staal, tenzij de technologie verandert en we komen op het punt van moleculaire manipulatie met een ander soort energiebron."

Additieve productie heeft nog een aas in de mouw, tenminste voor sommige spelers: De mogelijkheid om vormen te creëren die anders onmogelijk zouden zijn. Dit opent niet alleen de potentiële voor nieuwe producten en functies, het helpt ook 3D-printens snelheidsprobleem op te lossen. Dat is omdat een open roosterstructuur die mogelijk is gemaakt door 3D-printen de vereiste sterkte en stijfheid kan bereiken voor veel toepassingen met veel minder materiaal dan een massive structuur. En 3D-printens productiesnelheid is direct evenredig met de kubieke volume van materiaal. Vreemde nieuwe structuren overlappen mooi met ons volgende onderwerp.

Geautomatiseerd, Creatief Ontwerp

In Walker's visie staat productie op het punt om de grootste productiviteitswinsten te behalen in twee gebieden, een van welke is het digitaliseren van al het werk dat nodig is om een productieproces voor te bereiden. "Vandaag begint een ontwerper met een digitaal model, en genereert dan een toolpad ... dan ontwerpt iemand een spanning ... dan krijg je een smedstuk ... dan drip-feedt een applicatie-ingenieur het programma naar de machine en gaat tool voor tool en monitor hoe het snijden klinkt en hoe het eruitziet ... en uiteindelijk krijgt hij de machine het onderdeel te maken ... en dan verfijnt hij alle bewegingen zodat hij de cyclus tijd kan reduceren." Het is eigenlijk nog erger omdat het verkrijgen van het initiële ontwerp ook lastig is. Gelukkig werken veel heldere geesten hard om elk deel van dit proces te vergemakkelijken en te versnellen.

Aan de voorkant helpt generatief ontwerpstechnologie een steeds bredere groep creatieven 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 gebruikt 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 en zo voort. Wat meer is, uitgelegd Bob Yancey, Autodesk's directeur van productie- en productiestrategie, de ontwerpen zijn "niet alleen een onmogelijk-te-gebruiken geïdealiseerde geometrie, ze zijn echte werkende CAD-modellen die verder gemanipuleerd kunnen worden in CAD-software."

Ze zijn ook wat Yancey noemt "productie-bewust," wat betekent dat ze begonnen met de gewenste productiemethoden ingebouwd als een beperking vanaf het begin. "Dus als je specificert dat het onderdeel in staat moet zijn om op een vijf-as CNC bewerkt te worden, zullen al je ontwerpopties voldoen aan die beperking," zei hij.

Het elimineert niet de noodzaak voor een menselijke ontwerper. Zoals Yancey het formuleerde, "Het beschrijven van de ontwerpuitdaging met precisie en expertise is een engineering vaardigheid die niet zal verdwijnen. Wat generatieve ontwerpsoftware doet is je meer ontwerpopties geven dan elk mens zich op zichzelf kan voorstellen, zodat je meer vertrouwen hebt dat je veel meer opties overweegt en betere resultaten krijgt. We zien dit als een toekomst van co-creatie tussen ingenieur en computer, of menselijke intelligentie en kunstmatige intelligentie."

Misschien nog dieper, de ontwerpen zijn vaak verrassend en superieur aan wat een mens zou hebben geenvisioneerd. Zoals Diego Tamburini, principal industry lead — Manufacturing Industry Communities / Cloud + AI Division voor Microsoft (Redmond, WA) het formuleerde, "Als ik voor mijn CAD-tool zit om een onderdeel te ontwerpen, heb ik al 1.000 preconcepties over hoe het eruit moet zien gebaseerd op eeuwen van eerdere ontwerpen. AI heeft dergelijke noties niet. En hoewel ik akkoord ga dat het automatiseren van ontwerp een lastig probleem is en het moeilijk is om een computer complexe items te laten ontwerpen, moeten we erkennen dat omgekeerd er veel gevallen zijn waarin we leven met sub-optimale menselijke ontwerpen."

Enkele van onze preconcepties stammen uit onze ervaring met grondstoffen beperkt tot blokken, staven en vellen. Maar 3D-printen is niet beperkt tot die grondstoffen. Noch is het beperkt in de vormen die het kan creëren.

Als je die beperking wegnemt en de AI laat werken, creëert generatief ontwerp vaak vormen die "volledig anders zijn dan wat we gewend zijn. Meer organisch, zoals dierenbotten," zei Tamburini. Wohlers herhaalde dit en zei dat natuur uitstekende voorbeelden biedt van structuren met opmerkelijke sterkte-gewicht verhoudingen. Tot onlangs produceerden 3D-printers rooster-, mesh- of cellulaire structuren gedefinieerd door kant-en-klare programma's met weinig begrip van hun sterkte-eigenschappen. "De nieuwste topologie-optimalisatie tools kunnen ingenieursmatige rooster- en mesh-structuren produceren met zekerheid van sterkte," zei Wohlers. "In de toekomst kunnen we superlichte structuren in verschillende metaallegeringen zien die lichter zijn dan koolstofvezelcomposieten, wat tijdrovend om te produceren en duur is."

Tamburini zei dat hij gevallen heeft gezien waarin de computer een geribbelde vorm bedenkt die geen vertrouwen in de mens opwekt (het ziet er te licht en zwak uit), dus de ontwerper bedekt het met iets zodat het sterker oogt. Mensen blijven mensen, na alles.

Het Proces Versnellen

Krisztina "Z" Holly, oprichter en chief instigator van Make It In LA (Los Angeles) onderstreept het voordeel van het combineren van steeds slimmere software met 3D-printen en andere nieuwe technologieën (zoals virtuele realiteit) om de iteratieve productontwikkelingscyclus aanzienlijk 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 in termen van hoe we innoveren en wie innovert? Ik denk dat de wereld een andere plek zal zijn als we niet-ingenieurs toestaan om de soorten producten te ontwerpen die ze willen," zei ze. "Het zal ook makkelijker zijn voor ondernemers om een productiebedrijf te starten. Welke soorten producten zullen beschikbaar komen als mensen een fysiek productenbedrijf zo makkelijk kunnen starten als een digitaal productenbedrijf?"

Een uitkomst die ze voorziet: "Twee vaardighedensets worden ongelooflijk waardevol. Één is diepgang technologische vaardigheden voor het coderen van deze systemen en het begrijpen van de details van wat werkt en wat niet. De ander is empathisch begrip van de behoeften van de klant en marktkansen."

Welke vaardigheden worden minder kritisch? Eigenlijk de machines draaien. Het proces van ontwerp naar CAM zal min of meer geautomatiseerd zijn. Zoals Walker uitlegde, als het ontwerpmodel informatie over het materiaal bevatte (wat standaard wordt), zou de machine "de intelligentie moeten hebben om de rest te doen. De juiste tools uit een 8.000 tool rek halen en de juiste toolpaden volgen bij de juiste snelheden. De machine zou de visie en hoorbare monitoring capaciteiten moeten hebben om botsingen te vermijden en ook de snijcondities te beoordelen en snelheden en voeden dienovereenkomstig aan te passen. Dat is wat applicatie-ingenieurs vandaag doen. Hoeveel zullen we over 30 jaar nodig hebben? Hopelijk geen."

Dat gezegd hebbende, waarschuwde Holly tegen een focus puur op banen. Eerst, er zullen banen zijn — gewoon anders, meer creatieve banen. En tweede, "Het belangrijke is innovatie lokaal houden," zei ze. "Er zijn veel negatieve kanten aan het outsourcen van ontwerp en productie naar het buitenland. Je verliest controle over de intellectuele eigendom. Het is niet goed voor het milieu. En je verliest zicht op wat mogelijk is tenzij je je handen in de productie hebt."

Op Maat Gemaakt... Lokaal

Iedereen lijkt ermee akkoord dat productie veel meer geografisch gedispergeerd zal worden, een proces dat in grote mate geholpen wordt door de vermenigvuldigende capaciteiten van individuele werktuigmachines. Yancey zei dat veel fabrikanten zowel risico willen verminderen als producten dichter bij de klant willen maken om ze beter aan de markt aan te passen.

Walker was het ermee eens en voorspelde ook dat transportkosten en milieu-impact bedrijven zullen drijven om lokaal te produceren. Hij voegde toe dat er ook door de overheid gemandateerde offsets zijn, waarin een fabrikant een bepaald aantal onderdelen in een land moet produceren om producten in dat land te mogen verkopen. Een andere motivator is winstgevendheid behouden ondanks valutafluctuaties, een probleem verergerd door krimpende marges.

Tegelijkertijd zal er een veel grotere mate van customization zijn en een veel strakkere toeleveringsketen. Zoals Tamburini opsomde: "De praktijk van vraag voorspellen en massaal produceren van onderdelen om verwachte vraag te voldoen zal op z'n kop gezet worden. Het zal dichter bij de klant zijn die de fabrikant precies vertelt wat ze willen en de fabrikant maakt het dan en alleen dan. Digitalisering en automatisering maken deze droom technisch, en zelfs economisch, haalbaarder."

Dit zou niet op elk product van toepassing zijn, en de grenzen tussen standaardisatie, customization en personalisatie zijn vervaagd. Maar Tamburini is er zeker van dat de praktijk van producten aanpassen via een lijst van vooraf gedefinieerde opties exponentieel zal groeien. Sommige producten, zoals protheses en kleding, kunnen volledig gepersonaliseerd zijn. Evenzo zullen de meeste fabrikanten gegeneraliseerde dienstverleners zijn en geen specialisten. De machines zullen bouwen wat er via de cloud binnenkomt, op aanvraag.

Zoals Walker het formuleerde, "Vandaag heeft een bedrijf een drie- tot vijfjaarscontract nodig om een component te maken omdat de kosten om een machine te kopen, programmeren en toolen om het onderdeel consistent en accuraat te maken enorm is." Maak machines geautomatiseerd en multifunctioneel en elimineer veel van de opstelinspanning en productie wordt een flexibelere, en misschien een lagere marge business. Als Holly van Make It in LA het zou willen, worden het ontwerpproces en de ontwerptools en interfaces nog belangrijker.

Dingen Laten Draaien

Verhoogde digitalisering, "hyper-connectiviteit," en AI zouden onze capaciteit aanzienlijk moeten verbeteren om productie draaiende te houden met een minimum aan bemanning en downtime. Tamburini zei dat de meeste data die nu wordt verzameld gebruikt wordt om te monitoren wat er in de fabriek en door de toeleveringsketen gebeurt. "Maar we beginnen te vragen 'waarom' bepaalde dingen gebeuren en AI te gebruiken om te voorspellen wat er zal gebeuren. De volgende fase in dit proces is AI en machine learning te gebruiken om autonoom te reageren."

Met andere woorden, met genoeg data om te analyseren, kan machine learning specifieke onderdeelfouten accuraat voorspellen. Met goede beslissingsalgoritmes en kennis over alle productievraag op de shopfloor, kan het systeem ook zelf beslissen wat te doen over de komende fout: het onderdeel bestellen, downtime plannen, bepaalde jobs naar alternatieve machines verplaatsen, en zo voort. Je kunt je zelfs een machine voorstellen die zichzelf repareert of de robot bestelt die dat kan, hoewel Walker zei dat hij niet denkt dat we ooit weg zullen komen van de noodzaak voor menselijke onderhoudstechnici. Echter, hij denkt wel dat de machines auditief zullen communiceren over wat er gedaan moet worden — geen noodzaak voor handheld apparaten of schermen en besturingen.

Tamburini zei dat Microsoft een head-mounted product (HoloLens) heeft dat je in staat stelt om te interacteren met hologrammen om je heen. "Het legt digitale info over de realiteit heen, je geeft superkrachten, in een zin. Mensen ontdekken dat augmented reality gebruikt kan worden om dingen te doen als montage-instructies geven, of QC-instructies, of onderhoudsinstructies, wat de behoefte aan training vermindert." Bijvoorbeeld, een externe onderhoudsexpert kan een lokale technicus bijstaan door naar een onderdeel te wijzen of aan te geven hoe een onderdeel te verplaatsen, alsof ze allebei naar hetzelfde ding in dezelfde winkel kijken.

Ten slotte wees Tamburini erop dat een van de schoonheden van machine learning is dat "het moment dat ze beter worden, die capaciteit of kennis direct naar de hele wereld uitgezonden kan worden, omdat het gewoon software is. Dus iedereen wordt slimmer en beter, assummerend 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 erg lastig om die soort kennis te distribueren."

Wat Niet Verandert

In de mate dat het ter sprake kwam, lijken de experts niet te denken dat productienauwkeurigheid in de komende 30 jaar veel zal vorderen. "We werken op toleranties waar de metrologie om de nauwkeurigheid te bepalen het grotere probleem is," zoals Walker het formuleerde. "De volgende stap om betere toleranties te krijgen zou moleculaire manipulatie zijn," (wat niemand voorzag). Niemand leek te denken dat bewerkingssnelheid significant sneller zou worden. Zelfs de verbetering van 3D-print snelheden die eerder besproken werden, zal meer evolutionair zijn dan revolutionair — niet zo significant als de productiviteitsverhoging door softwareverbeteringen. Ook onze huidige mogelijkheid om kleine componenten te produceren is al verbazingwekkend. Wohlers verwies naar miniaturisatie als "deels een oplossing die zoekt naar een probleem. Een van de weinig toepassingen zijn kleine sensoren ingesloten in 3D-geprinte onderdelen."

Als je je zorgen maakt over de veranderingen, zou je Walker kunnen troosten met deze gedachte: "We hebben productie aangepast sinds de jaren 1780. De komende 30 jaar zullen meer aanpassen zijn, tenminste we komen met iets echt revolutionairs." Hij vroeg me of iemand zei dat ze uitgevonden hadden hoe zwaartekracht te manipuleren zodat we naar de maan kunnen vliegen zonder fossiele brandstoffen te verbranden, wetende het antwoord. Kom ervan te denken, niemand noemde de hond die de man weerhield om veranderingen aan de machine te maken, ook niet.