Hoe Automakers Productie Verbeteren met Collaboratieve Robots en 3D-Printen

De auto-industrie voegt meer gespecialiseerde robots toe, kijkt naar 3D-printen, en integreert andere geavanceerde technologieën.

De VS auto-industrie is al decennialang geautomatiseerd. Productie van auto's en vrachtwagens wordt geassocieerd met grote, klotsende robots afgeschermd van menselijke werknemers. Binnen die afgeschermde gebieden worden taken zoals lassen uitgevoerd.

De industrie, wel, vordert op het automatiseringsfront. Automakers en leveranciers bewegen richting het gebruik van collaboratieve robots, bekend als cobots. Dergelijke apparaten zijn vaak kleiner, hebben meer fingergewendheid en kunnen veilig naast menselijke operators worden ingezet.

Wat meer is, de industrie wil ook het gebruik van 3D-printers uitbreiden. Automakers zoals Ford Motor Co. en BMW AG werken direct met additieve fabricanten over de implementatie van de technologie. Bedrijven benutten ook virtuele en augmented reality om productiekwesties aan te pakken. En, zoals het geval is met veel andere fabrikanten, wil de auto-industrie het meest uit Industrie 4.0 halen, waar "verbonden" machines met elkaar en met menselijke operators communiceren.

"Er zijn veel manieren waarop de nieuwe automatisering verschilt van hoe automatisering eruitzag in de jaren 1980," zei Kristin Dziczek, vicepresident industrie, arbeid en economie bij de Ann Arbor, Mich.-gebaseerde Center for Automotive Research (CAR).

"Deze dagen is automatisering niet alleen het repliceren van menselijke fysieke inspanning maar ook het verbinden ervan met andere cyber- en fysieke systemen zowel binnen als buiten de fabriek," zei Dziczek. "Dat betekent dat fabrikanten meer data krijgen van de automatisering en meer controle over het totale productiesysteem — niet alleen controle over individuele geautomatiseerde stations."

Een symbool van automotieve automatiseringstrends is Ford's nieuwe Advanced Manufacturing Center in de Detroit-voorstad Redford, Mich. Binnenin worden 3D-printers en cobots bestudeerd voor manieren om op de fabrieksvloer gebruikt te worden. De virtuele en augmented reality faciliteiten van het centrum zijn een manier voor Ford-fabrieken over de hele wereld om te dealen met dergelijke kwesties als hoe productieapparatuur op de plantvloer te stationeren.

Ford vormde een geavanceerde productieorganisatie in 2017, waarbij werknemers uit de gehele productieoperaties van de automaker samenkwamen. De groep identificeerde de site vorig jaar naarmate een industrieel bedrijf naar een andere locatie in het Detroit-gebied verhuisde.

"De Ford Motor Co. heeft een zeer volwassen relatie met automatisering," zei Mike Mikula, chief engineer van de globale geavanceerde productieorganisatie voor Ford. Het bedrijf wilde zijn productietechnologie versnellen, zei hij.

Wat volgt zijn enkele van de manieren waarop automatisering en nieuwe technologieën in de auto-industrie evolueren.

3D-Printen Krijgt Kracht

3D-printen, of additieve productie, omvat het printen van een onderdeel laag voor laag vanaf een digitaal ontwerp. De technologie verschuift naar het printen van grotere onderdelen en meer printen met diverse typen metalen. De luchtvaartindustrie heeft jarenlang geïnvesteerd in additieve productie omdat 3D-printen nieuwe ontwerpen mogelijk maakt en de belofte heeft van efficiënter gebruik van metalen zoals titanium.

Echter, de auto-industrie heeft grotere productievolumes. Tot nu toe is de adoptie van 3D-printen door automakers en leveranciers achtergebleven ten opzichte van hun tegenhangers in de luchtvaart.

"Huidige toepassingen van 3D-printen zijn beperkt tot tools, dien, mallens, jigs, fixtures en enkele low-volume onderdelen," zei CAR's Dziczek. "De echte hindernissen voor bredere adoptie van 3D-printen in massaproduceerde auto's en onderdelen zijn cyclus tijd, kosten en geslagen kosten van de huidige stamping-, molding- en machining-gebaseerde onderdeelvormingsprocessen. 3D-printen moet sneller worden en kosten aanzienlijk dalen voordat we wijdverspreide, high-volume toepassingen in de auto-industrie zullen zien."

Toch is additieve productie-ontwikkeling gaande in de auto-industrie.

"Vooruitgang binnen de technologie van 3D-printen in en van zichzelf creëert een reeks oplossingen die historisch niet beschikbaar waren," zei Ford's Mikula. De verbeteringen omvatten "de snelheid waarmee we kunnen printen en met de materialen waarmee we kunnen printen. De introductie van koolstofvezel-versterkte polymeren (CFRP), geavanceerde kunststoffen en zeker metaal heeft de potentiële toepassingen dramatisch veranderd vanuit het oogpunt van wat de 'kunst van het mogelijke' is.

"Wanneer je dat combineert met" verhoogde rekenkracht, vervolgde hij, "laat je de software je helpen het onderdeel te ontwerpen. Het vereist niet hetzelfde niveau van engineering-inspanning en levertijd om je een hoofddop oplossing te geven die aan al je vereisten voldoet. Dus zowel in termen van wat we kunnen printen als hoe snel we ze kunnen printen... maakt 3D-printen een heel intrigerende technologie. Zeker ons doel hier is om het te benutten vanuit het oogpunt van het voorzien van onze productieprocessen met de tooling en assemblage-hulpmiddelen die ze nodig hebben om robuuster te zijn alsook potentiëel sommige van de technologie-uitdagingen geassocieerd met 3D-printen te overwinnen."

Vroeger heeft Ford samengewerkt met Stratasys Ltd. op prototype 3D-printers om grote onderdelen te produceren. De automaker, gevestigd in Dearborn, Mich., is ook een investeerder, samen met BMW, in Desktop Metal, een additieve productiemaatschappij gevestigd in Burlington, Mass. Ken Washington, Ford's chief technology officer, zit in het bestuur van Desktop Metal.

Ford en BMW "weten dat dit aan komt," zei Jonah Myerberg, Desktop Metal's chief technology officer en medeoprichter. "Ze hebben haast. Het is nog een paar jaar uit van doorheen een voertuig gezien te worden."

Myerberg zei dat 3D-printen waarschijnlijk verder zal gaan dan mallens en jigs, maar er is veel onzekerheid.

"Je kunt niet naar één gebied van het voertuig kijken," zei hij. "Je moet naar het hele voertuig kijken. Wat we proberen te doen is hun ogen openen voor wat we zien als de sleutelvoordelen van 3D-printen." De Desktop Metal executive zei dat automakers de technologie naar hun top-tier leveranciers kunnen duwen.

"Er is veel gaande achter de schermen wat die ingenieurs niet zullen praten," zei Myerberg. "We hebben alleen een klein plaatje van hoe onze klanten deze printers gaan gebruiken."

In september introduceerde HP Inc. een nieuwe 3D-printtechnologie die het HP Metal Jet noemt, bedoeld voor massaproductie van staalonderdelen. Volkswagen AG voornemens HP Metal Jet-technologie te gebruiken om elektrische voertuigen in de jaren 2020 te produceren, volgens HP. Elektrische voertuigen hebben minder bewegende delen dan conventionele interne verbrandingsmotoren. Als resultaat kunnen EV's een kans zijn om additieve productie in de auto-industrie uit te breiden.

Collaboratieve Robots

Robots waren een van de vroegste voorbeelden van automatisering op de fabrieksvloer van de auto-industrie.

De vroege stadia van robotadoptie bestonden uit het doen van gevaarlijke, repetitieve taken, zei Lou Finazzo, general manager, automotive en component markten voor FANUC America Corp., Rochester Hills, Mich. Veel robots werden gebruikt om auto- en vrachtwagencarrosseries te lassen.

"Mensen waren beperkend in wat de automotieve industrie werkelijk kon evolueren op de carrosseriekant," zei hij. Het was uitdagend voor menselijke operators om "die reusachtige, grote letselpistolen" te manipuleren en blind over het voertuig te reiken en talloze letselspots toe te passen "die je niet wist of ze goed of slecht waren.

"Eenmaal robotische technologie opging, konden ze voertuigen een beetje anders ontwerpen, [met] meer complexe assemblage," vervolgde hij. "Ook, een betere controllus op de kwaliteit, wat hen in staat stelde om het aantal lassen en structurele componenten te reduceren, maakte assemblage van voertuigen evolueren naar waar we vandaag zijn. Dat waren de initiële stadia."

Vandaag subsidieren robots en automatisering arbeid, en er is tekort aan arbeid voor fabrikanten en leveranciers, volgens Finazzo.

"Dus nu kun je een persoon nemen en die persoon kan verantwoordelijk zijn voor vier, vijf collaboratieve [robots] en je hebt eigenlijk hun efficiëntie verhoogd... Wanneer we praten met traditionele autobouwers, is de flexibiliteit die vereist is veel meer dan het vroeger was," zei hij.

Collaboratieve robots worden opgemerkt in de auto-industrie. "Twee sleutelfactoren die de interesse van de automotieve industrie in collaboratieve robots drijven zijn snelheid en kosten," zei Darrell Paul, marketing manager voor robotica en motion control bij Omron Automation Americas, Hoffman Estates, Illinois. "Collaboratieve robots sneller geïmplementeerd en in bestaande productieomgevingen. Deze robots hebben ook de mogelijkheid om met bestaande productiecellen en operators te werken, wat de noodzaak voor additionele structurele of infrastructuurkosten elimineert."

Het bedrijf introduceerde zijn nieuwe TM Series cobot op dit jaar CES in Las Vegas. Volgens Omron stelt de robot, die een visiesysteem heeft, snelle opstarts en changeovers in staat. Omron claimt ook dat de software van de robot het in staat stelt om voor verschillende taken getraind te worden.

Bij Ford's Advanced Manufacturing Center zijn er robots gemaakt door FANUC, ABB, Universal Robots en KUKA Robotics.

"Veel van het werk dat in onze planten gedaan wordt vereist geen industriële robot die het bereik en payload heeft wat industriële robots basisaddresseren," zei Ford's Mikula. "Collaboratieve robots bieden een kleine productievoetafdruk, en ze kunnen veilig geïntegreerd worden in en tussen onze technici en faciliteiten zonder een significante infrastructuur van bescherming te hoeven bouwen."

"Met een collaboratieve robot, kun je een veel eenvoudigere oplossing hebben; [je kunt] het werk naar de robot brengen zodat de robot het werk veilig kan uitvoeren en dat op een betrouwbare manier doen," vervolgde Mikula.

"Onze productiefaciliteiten zijn duur om te wijzigen," zei hij. "De inhoud in onze voertuigen blijft toenemen. De inspanning [vereist] om motoren, transmissies, batterijpakketten en voertuigen te monteren blijft toenemen over tijd. Waar we die additionele inhoud kunnen accommoderen en automatisering introduceren om het te doen... om te garanderen dat we onze consumenten het hoogst mogelijke kwaliteitsproduct leveren tegen een betaalbare prijs, dat is waar collaboratieve robots echt in de vergelijking passen."

Vanuit het standpunt van robotleveranciers is er veel druk om te presteren.

"Met automotive, is snelheid naar markt heel belangrijk," zei Finazzo. "Tien jaar geleden, [het] zou een groot succes zijn geweest om een nieuwe vrachtwagen in 18 maanden te lanceren. Nu zijn ze als, 'wow, we moeten het in 12 maanden doen.' Dus, snelheid naar markt is een groot deal."

Automotive Leveranciers Passen Zich Aan

Sommige automotive leveranciers hebben zich aangepast aan het verhoogde gebruik van cobots en het snellere tempo.

Inficon, gevestigd in Bad Ragaz, Zwitserland, maakt automotive inspectieapparaten voor auto-systemen. Het bedrijf heeft zijn apparatuur geïmplementeerd met kleinere, collaboratieve robots. Inficon-apparaten worden gebruikt om lekkages van vocht of gassen te detecteren. Met collaboratieve robots heeft Inficon meer kansen voor zijn apparaten om aan robots te worden bevestigd. Inficon producten worden nu gebruikt om vocht in elektrische voertuigsystemen te detecteren.

"Dit is iets waar we vijf tot zeven jaar aan gewerkt hebben," zei Thomas Parker, Inficon's Noord-Amerikaanse automotive verkoopmanager.

Collaboratieve robots maken het gemakkelijker om Inficon-apparaten te deployen. "We doen veel educatie naar klanten over wat mogelijk is met een collaboratieve robot, wat mogelijk is met een zes-as robot. Er is veel educatie aan mijn team."

Hydromat Inc., een maker van werktuigmachines wiens klanten automotive klanten omvatten, heeft zich aangepast aan industrietrends.

Met Hydromat, "is automatisering meer interactief geworden," zei Kevin Shults, marketingdirecteur voor het in Maryland Heights, Mo.-gevestigde bedrijf. "Voor werkers, zijn de systemen meer interactief geworden tussen operators en de werktuigmachines die ze draaien. Programmeren aan de machine is meer gangbaar."

Veranderingen in de auto-industrie betekenen "meer frequente change over," zei Shults. "Changeovers moeten sneller."

Shults voegde toe, "Automatisering is essentieel in de zoektocht om onze automotive klanten de multi-part families te bieden die hen diversiteit en productwinst geven."

Werknemers Passen Zich Aan

Inspanningen zijn gaande om werknemersvaardigheden te verbeteren naarmate de auto-industrie meer gespecialiseerd wordt.

AIDT, Alabama's workforce training programma, probeert zijn werknemerstrainingsinspanningen op te schroeven naarmate auto-industrie werkgelegenheid meer gespecialiseerd wordt. Werknemers bij fabrieken komen naar AIDT-faciliteiten in Tanner, Ala., bij Huntsville voor trainingsessies.

Alabama is thuis van verschillende voertuig-assemblage planten. De staat heeft ook luchtvaartfabrieken. Als resultaat probeert Alabama zijn productietraining te verbeteren. In januari bezocht een Alabama-delegatie het Detroit-hoofdkwartier van Lightweight Innovations For Tomorrow (LIFT), het Manufacturing USA instituut dat bedrijven en academici samenbrengt om lichtgewichttechnologie voor productie te verbeteren.

"Alabama [is] aan het evolueren in productie," zei Kristi Bain, AIDT's assistent-directeur.

"We moeten werken in een geavanceerd productiescenario," zei Ed Castle, Alabama deputy secretary of commerce in die agentschap's workforce development commissie. "Voor ons is het een simpele vergelijking. Wat is de behoefte en hoe definieer je die behoefte?"

Ford's Mikula zei dat deze trends weerspiegelen hoe auto-productie meer aantrekkelijk is dan het ooit was.

"Het is een echt opwindende plek om te zijn," zei hij. "Het is een echt leuke plek om te zijn."