DIGITAAL 3D-MODEL VERDRINGT
STEEDS MEER 2D-TEKENING OP PAPIER

Op weg naar automatische productie met ‘model based definition’

Heeft u al gehoord van Model Based Definition (MBD)? Dat is de digitale 3D-tegenhanger van een op papier geprinte 2D-productweergave. Het digitale MBD-model omvat alle productinformatie nodig voor verspanen, afwerking ... Model Based Definition baant de weg om volautomatisch te produceren, waarbij inlezen, simuleren, uitvoeren, meten én terugkoppelen van de resultaten gebeurt op basis van één samenhangende en eenduidige dataset. In de huidige maakindustrie gebruiken de meeste bedrijven al 3D CAD-tekeningen en CNC-machines, maar er valt nog heel wat tijdswinst te halen uit een allesomvattende implementatie.

MAAKINDUSTRIE IN VOLLE TRANSITIE

We hoeven het u eigenlijk niet meer vertellen, maar de maakindustrie is in volle transitie. Soms ontstaan die innovatieve technologieën op vragen vanuit de markt, vaker echter zijn ze het gevolg van continue evolutie. De mate waarin die nieuwe technologieën geaccepteerd worden in de industrie verloopt volgens een grillig patroon en daarmee – soms tegen alle logica in – trager dan verwacht. Denk bijvoorbeeld aan de transitie van menselijke naar computergestuurde communicatie; een recenter voorbeeld is de overstap van fossiele brandstoffen naar hernieuwbare energie.

Toegespitst op de maakindustrie stellen we een evolutie vast van ‘bezit’ naar ‘gebruik’, heel recent zelfs bij machines, evenals de overstap van de werktekeningen op papier naar een digitale 3D-weergave. In de massaproductie van complexe onderdelen, individuele componenten en machines, onder andere binnen de luchtvaartindustrie, automobielsector, hightech industrie en semi-conductor industrie, verloopt het (gestroomlijnde en geautomatiseerde) productieproces intussen helemaal digitaal, al dan niet na een relatief korte transitieperiode en tot op zekere hoogte gepersonaliseerd.

Te langzaam

Hoewel de omschakeling duidelijk merkbaar is, durven we stellen dat de digitalisering vooralsnog (te) langzaam verloopt. OEM-ers kunnen zich geen productiestoringen veroorloven, zeker niet wetend dat die mogelijk ontstaan doordat een van de radertjes in de toeleveringsketen fouten kan maken. Nochtans brengen softwaremerken zoals Siemens en Dassault in de praktijk functionerende platformen uit voor grotere bedrijven én kmo’s, waarbij automatisch verwerkbare STEP242 files opnieuw in focus komen.

Een groeiend aantal toeleveranciers aan die grote ketens van steeds complexere onderdelen tot gebruiksklare mechatronische modules zijn volop bezig met de digitale transitie naar een slimmere manier van produceren. Wanneer men het heeft over een overstap naar een compleet digitale 3D-dataset in de (co-)engineeringfase, eventueel als ‘value engineering’, spreekt men trouwens over Model Based Engineering (MBE).

De productie van kleine series en enkelstuks automatiseren

Net op dat vlak hinken maakbedrijven, voornamelijk kmo’s, met focus op de productie van enkelstuks en kleinere series momenteel nog te veel achterop. Ook zij moeten vanaf nu met Model Based Definition aan de slag als nieuwe standaard, op weg naar een slimmere en papierloze, volledig digitale en gekoppelde toekomst. Dat kwam eigenlijk vorig jaar al naar voren tijdens de Roadshow 2018 in het Experience Center van chipsmachinebouwer ASML, georganiseerd door Mikrocentrum. Recent werd deze boodschap opnieuw verduidelijkt tijdens de drukbezochte themadag Verspanen 2019, zoals u eerder al kon lezen in Metallerie.

TRADITIONELE AANPAK

Vandaag zien we in heel wat werkplaatsen van kmo’s nog steeds vakmensen aan het werk met papieren tekeningen die een 2D-weergave schetsen van een uitgewerkt ontwerp. Die tekening omvat hoofdzakelijk de geometrische vorm van het product. Daaraan worden nog vereiste extra maakinformatie en kwaliteitsspecificaties gekoppeld, bijvoorbeeld voor verspanende bewerkingen aan de hand van een (extern of handmatig aan de machine gegenereerd) NC-programma, met expertise uit de bedrijfseigen database. Vanuit hun kennis en ervaring voegt ook de CAM-afdeling productspecifieke geometrische elementen toe voor extra functionaliteit, de geselecteerde machine, het uitgangsmateriaal en verdere kwaliteitsbepalende data (positie, maat, vorm en ruwheid).

Dat geldt ook voor de nabewerking. Met al die informatie kan de operator de bewerking aansturen, meten (vooraf, tussentijds en nadien om een rapport te genereren ter validatie), finishen en indien nodig reinigen. Hetzelfde geldt voor plaatbewerking, waarbij we in dit vakblad eerder al meermaals aandacht hadden voor de verschillende automatiseringsvormen. Min of meer los daarvan staat de orderstroom: intake, calculatie, planning, materiaal- en gereedschapsbeheer, reserveren van de machine, simulatie, botsingspreventie en finetunen. Bij de traditionele aanpak staat de mens centraal tijdens de uitvoering van de verschillende werkzaamheden. Vrijwel in alle stadia van dergelijke maakprocessen komen daarbij verschillen in interpretatie en aanpak voor, die dikwijls leiden tot productiviteitsverlies en afkeur.

COMBINATIE VAN 2D-TEKENING EN 3D-MODEL ALLEDAAGSE PRAKTIJK

Eerder schreven we dat we durven stellen dat de digitalisering vooralsnog (te) langzaam verloopt. Dit omwille van het feit dat digitalisering in het productieproces eigenlijk niet zo nieuw is als gesuggereerd wordt. CAD/CAM, NC-programmeren, 3D-solid model, herkenning van grondvormen, simulatie, virtual twins en big data zijn begrippen die al enkele jaren bekend zijn. De begrippen roepen herinneringen op aan vervlogen tijden toen Philips een eigen besturing had, het programmeren van macro’s intrede maakte en NatLab en CFT al werkten aan zogeheten ‘feature recognition’. Er zijn dus wel degelijk al heel wat mogelijkheden!

In de praktijk komt bij het uitvoeren van een opdracht vaak een mengvorm voor berustend op bij elkaar horende 2D-tekeningen, samen met een 3D CAD-model als gegevensbron. Daarbij blijft een tekening op de werkvloer nog steeds ontzettend belangrijk, zelfs in dit – al jaren geleden uitgeroepen – papierloze tijdperk. Print is dood? Het tegendeel blijkt. Een traditionele 3D CAD-file kenmerkt zich door de verregaande gerelateerde informatie die eraan werd toegevoegd. Echter levert de mengvorm van analoge 2D-tekening en digitaal 3D CAD-model ook een praktisch nadeel op.

Nog steeds is het nodig om voor acties als verspanen en de eventuele nabewerking essentiële data om te zetten in een voor de CNC-machine leesbare vorm. Niet-geometrisch gebonden maakgegevens, in het vakjargon Product Manufacturing Info (PMI), moeten middels technologie en strategie-instellingen worden toegevoegd. Dan gaat het onder andere over de haalbare kwaliteit, de bewerkingssnelheid en ruwheid.

VOLLEDIG PAPIERLOZE AANPAK

Om kwaliteit te blijven waarborgen in een toekomst met wereldwijde concurrentie werd voor veel bedrijven al snel duidelijk dat gestructureerd standaardiseren, analyseren en vastleggen van specifieke maakexpertise een absolute vereiste zijn. Deze parameters dienen digitaal verder opgewaardeerd te worden, zodat ze autonoom kunnen functioneren. Enkel bij een volledige procesbeheersing, vanuit verschillende gezichtspunten, kan immers overgegaan worden tot de integrale transformatie naar Model Based Definition (MBD) als consistent en numerieke fundament voor tekeningloos produceren.

Inlezen, manipuleren met willekeurige aanzichten en doorsnedes, simuleren en optimaliseren, in- en uitzoomen, realtime aanpassingen doen en naadloos terugkoppelen naar onder andere het frontoffice. Dit alles met alle relevante geometrische en bewerkingstechnische gegevens direct bij de hand, in de vorm van een volledig gedefinieerde en eenduidig samenhangende data-format. Zo verminderen één op één de foutenlast en bottlenecks, wat leidt tot tijdswinst, sterk verkorte ontwikkel- en doorlooptijd, minder uitval en een snellere levertijd.

Model Based Definition vereist investering

Sleutel bij Model Based Definition is het inzetten van de laatste generatie geavanceerde software én hardware. Hou daarbij ook rekening met kostprijs, niet alleen wat betreft aankoopprijs maar ook het omscholen van het personeel. Hedendaagse besturings- en motionsystemen staan met compacte, krachtige en energiezuinige (co-)processoren garant voor een aanzienlijk snellere werking, meer gebruiksgemak en betere grafische weergaves. Heel wat softwareontwikkelaars ondersteunen vandaag dan ook de MBD-aanpak, al vormt het allegaartje van gekochte en soms zelf ontwikkelde software binnen veel bedrijven vaak nu nog een belemmering.

Verschillende alternatieve spelers, bijvoorbeeld uit de gereedschapssector en technische instituten, leveren nu al verspaningstechnologie op maat, vanuit digitaal geverifieerde praktijktesten, inclusief bijpassend gereedschap en bewerkingsstrategie. Binnen die digitalisering zijn ook bijhorende Computer Aided Inspection (CAI)-pakketten essentieel. Deze omvatten de benodigde integrale meetfuncties en het verregaand automatisch opstellen van meetprogramma’s. Dit ter controle van de kwaliteit, zowel op de machine zelf, als op computergestuurde meetmachines (CMM).

Eerlijkheidshalve dienen we wel te vermelden dat bij een snelle acceptatie van deze op termijn ongetwijfeld onmisbare webgebaseerde aanpak wel het thema cybersecurity hoog op de agenda komt te staan. Zeker gezien de groeiende interne en externe datatransfers. Algemeen beschouwd betekent dat bovendien een intensievere en multidisciplinaire samenwerking én kennisuitwisseling. Denk bijvoorbeeld aan het Knowledge Sharing Centre dat ASML voorstelt, op basis van vertrouwen als sleutel tot succes. Ongetwijfeld de volgende fase binnen het huidige streven in de maakindustrie naar ‘lean’ ontwikkelen en produceren.

TOEKOMST VOLLEDIG DIGITAAL

Als Model Based Definition zich doorzet, maakt de hele maakindustrie een enorme stap vooruit. Verdere uitbouw is op termijn een opstap naar het ideaal: volautomatisch programmeren van een 100% beheerst proces wat de gehele verspaningsketen betreft. Al staat wel nog heel wat te gebeuren op het groeipad voorafgaand aan de radicale opstap naar automatisch verspanen. Voor optimaal functioneren zou, gezien de huidige realiteit in heel wat bedrijven, ‘open software’ wel eens de voorkeur kunnen genieten. Al zijn ook hier voor- en tegenstemmen in te vinden.

Nieuwe ontwikkelingen

Vandaag is de impact van beeldherkenningstechnieken op basis van geavanceerde sensoren en gekoppelde cameratechnieken al niet gering. Ingebedde visiesystemen, soms als multi-platform, presteren op moderne machines al kwalitatief hoogwaardig. In de toekomst komen hier dan nog eens automatische detectie, herkenning en inspectie van het werkstuk, bewerking en transfer van de betreffende dataset naar andere geselecteerde machines bij.

Om het dan nog niet te hebben over wat er nog zit aan te komen in de vorm van de koppeling met Virtual Reality (VR) en Augmented Reality (AR), Artificial Intelligence (AI), machine-learning, cloud, IoT en toenemende automatisering en robotisering. De laatste jaren worden Industrie 4.0-activiteiten doorgetrokken over de hele productlevenscyclus en daarmee bruikbaar als cruciaal element voor de totale bedrijfsvoering van kleine tot (middel)grote bedrijven. Al vormt het onvoldoende beschikbaar zijn van normen nu (nog) een vertragende factor. Al met al komt slimmer produceren binnen bereik, ook voor kmo’s. Bij al die innovaties blijft de eindbeslissing, het aanbrengen van wijzigingen en de eindcontrole nog zuiver manueel ‘mensenwerk’ – althans minstens nog op korte termijn.