Automatisering: wat als er al een robot staat?
Verspaning kan veel meer automatiseren dan enkel de machinebelading
Als er over automatisering in de verspaning wordt gesproken, gaat het vaak over robotbelading. Dat is echter slechts één aspect van de vele mogelijkheden om het proces te automatiseren. Eigenlijk staat de sector nog pas aan het begin.
verhogen van spindelrendement
De opmars van robots en cobots aan een CNC frees- of -draaimachine is de voorbije tien jaar zeer snel verlopen. Zeker Nederland, maar ook Vlaanderen behoort op dit vlak tot de koplopers als het gaat om geautomatiseerde high-mix low-volumeproductie. Tegenwoordig worden CNC-machines vaak samen gekocht mét automatisering; of in elk geval kiest men uitvoeringen die voorbereid zijn om te automatiseren. Hiermee heeft de verspaning een belangrijke stap gezet in vooral het verhogen van het spindelrendement. Want daar zorgt robotbelading voor: de spindel draait door, of een operator in de buurt is of niet. Zelfs als er nieuw materiaal in de cel wordt geplaatst, hoeft de productie niet te stoppen. Cijfers over productiviteitsverbeteringen als gevolg van robotisering schommelen tussen 30 tot 50% meer productie van dezelfde machine.
De werkvoorbereiding: automatisch programmeren
Is de verspaning hiermee geautomatiseerd? Nee. Er zijn nog veel meer mogelijkheden om het hele proces minder manafhankelijk te maken. In principe kan elke stap in de workflow, van het programmeren tot en met afleveren van een mechanisch onderdeel, op de een of andere manier geautomatiseerd worden. CAM-programmeren en daarbij gebruikmaken van zaken als feature herkenning is eveneens een vorm van automatisering. Het is daarom dat een bedrijf als ASML enkele jaren geleden is gestart met de uitrol van Model Based Definition (MBD), waarbij de specificaties in het verrijkte 3D-model zijn opgeslagen.
Hierdoor kan een deel van het programmeren van CNC-machines en vooral CMM’s al geautomatiseerd verlopen, alhoewel de eerlijkheid gebiedt te zeggen dat er nog steeds belemmeringen zijn door het ontbreken van eenheid hoe CAM-programma’s met dit soort data omgaan. Sommige machinebesturingen krijgen speciale features, waardoor ze steeds dichter naar een CAM-systeem opschuiven. Na het inlezen van een STEP-file neemt de software een deel van het programmeerwerk uit handen. Dit scheelt kostbare tijd in een periode waarin goede programmeurs minstens zo schaars zijn als goede CNC-operators. Weliswaar kunnen ook deze besturingen nog geen volledig programma genereren; ze zorgen er wel voor dat de programmeur zich kan focussen op de moeilijke bewerkingen.
De gereedschappen: waarom nog manueel werken?
Een andere automatiseringsstap, die na de robotbelading komende jaren lijkt te gaan doorbreken, zit aan de kant van de gereedschappen. Het is vreemd te constateren dat een robot het materiaal in de machine laadt en het werkstuk uitneemt, maar dat de operator nog steeds manueel de gereedschappen wisselt. Ook het voorinstellen van gereedschappen gebeurt nog vrijwel altijd handmatig. Een van de veel gehoorde opmerkingen die men hoort als een bedrijf de CNC-machine automatiseert, is dat het gereedschappenmagazijn te klein is.
Maar waarom niet een cobot de gereedschappen laten voorinstellen en met een AGV naar de machine brengen om daar automatisch in te laden? Dergelijke systemen bestaan. Gereedschappen worden automatisch gereinigd, gemeten, vervangen of bijgesteld, in een krimphouder of een ander houdersysteem geplaatst, gecontroleerd en dan met een AGV teruggebracht naar de CNC-machine. Nu méér machines automatisch beladen worden en ’s nachts en in het weekend doordraaien, is dit de volgende stap in het automatiseren van de verspaning. Het is een alternatief voor de grote magazijnen, waarbij in eerste instantie de kosten-batenanalyse de doorslag zal geven. Hoeveel kost de automatisering, wat kost de aanschaf en het in stand houden van alle tooling? Op langere termijn zal een heel ander argument een rol gaan spelen. Dat is het gebrek aan vakmensen om alle gereedschappen in te stellen. Automatisering lost dit net zo op als het gebrek aan vakmensen die de hele dag producten in en uit de machineklem halen.
Kunstmatige Intelligentie
Een voorwaarde is wel dat het hele proces gedigitaliseerd is. Dat biedt dan weer als voordeel dat de foutkans minimaal is. Het risico dat een verkeerde waarde wordt ingegeven, is uitgesloten. De voorinstelsystemen communiceren rechtstreeks met de besturing van de CNC-machine, zodat ook daar menselijke fouten uitgesloten zijn. Een ontwikkeling rond gereedschappen die nog in de kinderschoenen staat, is het gebruik van Kunstmatige Intelligentie bij de controle van een gereedschap.
Meerdere fabrikanten van CNC-machines werken hieraan en boeken verbluffend goede resultaten. In Vlaanderen heeft Flanders Make ook zo’n systeem ontwikkeld. Met hogeresolutiecamera’s worden de gereedschappen gefotografeerd en Kunstmatige Intelligentie zoekt vervolgens de afwijking ten opzichte van het origineel. De resultaten liggen nu al op het niveau van wat een ervaren operator bereikt. Deze technologie zal na verloop van tijd de stabiliteit van het verspaningsproces verhogen én tegelijkertijd het gebruik van gereedschappen optimaliseren. Immers gaan operators vandaag de dag liever aan de voorzichtige kant zitten als het gaat om het wisselen van het gereedschap vanwege slijtage, zonder dat de slijtage echt gemeten wordt.
De robot: laat deze harder werken
Als je de robots die een CNC-machine beladen vergelijkt met die in een assemblagelijn in de automobielindustrie, zijn deze laatste de harde werkers en de robots in een CNC-cel eerder de types die met minimale inspanning hun werk doen. Deze robots worden amper benut. Waarom vervult de robot die de machine belaadt tijdens de bewerking geen andere taken? De opties zijn legio en vooral afhankelijk van de ruimte in de cel. De robot kan bijvoorbeeld afbramen terwijl een nieuw product op de machine ligt of een onderdeel alvast een keer reinigen. Polijsten is een andere optie.
In de halfgeleiderindustrie leveren vlekken, ontstaan door het opdrogen van emulsies, problemen op als deze onderdelen aan de hoge reinheidseisen moeten voldoen. In de onbemande uren, zeker in een weekend, liggen deze stukken te lang op te drogen, waardoor op bijvoorbeeld aluminium vlekken ontstaan die lastig of niet te verwijderen zijn. De robot kan ze in een eenvoudig reinigingsbad dompelen waarin de emulsieresten worden verwijderd, zodat er geen vlekken meer kunnen ontstaan. De robot kan de stukken ook op een meetmachine plaatsen, voor controle zonder dat de onderdelen naar de meetkamer moeten.
minder nauwkeurig
De meting kan gedaan worden met een relatief eenvoudig systeem dat de afmetingen vergelijkt met die van een gevalideerd basismodel. Sommige leveranciers hebben robuuste CMM’s ontwikkeld voor in de productie. Deze kunnen door dezelfde robot beladen worden als deze die de machinebelading uitvoert. Zo’n meting naast de machine is minder nauwkeurig dan in een meetkamer, maar kan in een verder stabiel proces heel goed volstaan. Daarmee kunnen productiebedrijven opnieuw een deel van hun proces automatiseren.
Als ze de koppeling tot stand brengen tussen de meetresultaten en de CNC-besturing, creëren ze een vergaand geautomatiseerd proces waarin de kwaliteit automatisch geborgd wordt. Een andere uitbreiding van de taken van de robot is het wisselen van opspangereedschappen, zoals de klauwen van een klauwplaat. Hiermee kan men nog méér verschillende producten onbemand in één keer bewerken omdat niet langer alle producten vanuit dezelfde diameter staf gedraaid moeten worden.
Data: geautomatiseerde procesbewaking wordt belangrijker
Zodra het aantal uren onbemande productie in de verspaning sterk oploopt, neemt het belang van een stabiel proces – met name de machine - toe. Immers: de CNC-machine moet niet vanwege de warmte onnauwkeurig worden als de spindel 20 uur per dag draait. Of gereedschappen mogen het proces niet verstoren door onverwachte slijtage. In de bemande productie zijn dit zaken die de ervaren CNC-operator direct in de gaten heeft en kan ingrijpen. Maar wat als er niemand meer bij de machine staat?
Het automatiseren van de machinebewaking geldt misschien wel als de ultieme stap in het automatiseren van de verspaning. Het verzamelen van data, interpreteren hiervan en aan de hand van de uitkomsten stappen ondernemen – liefst geautomatiseerd – zal een succesfactor worden. Het gaat hierbij om meer dan het meten van de Overal Equipment Effectiveness (OEE). De juiste data geven tijdig een signaal als ingrijpen door de operator nodig is en helpen het onderhoud beter planbaar te maken. Machinefabrikanten bieden dergelijke systemen aan, maar vaak alleen in de nieuwste besturingen.
Bovendien kunnen dikwijls alleen machines van het eigen merk gekoppeld worden. In de meeste bedrijven staan machines van meerdere merken, jonge en oudere machines. Onafhankelijke partijen spelen hierop in door IIoT-systemen aan te bieden waarmee uit eigenlijk elke machine data gelezen kan worden. Meten is weten geldt hier meer dan elders: data geven inzicht in het proces, de knelpunten én de mate waarin dit verstoord wordt en waardoor. Hiermee kan men gericht stappen ondernemen om de stabiliteit van het proces te verhogen en zo geautomatiseerd méér en betrouwbaarder te produceren.
Automatisering begint bij de offerte
De automatisering van de workflow in een verspanend bedrijf begint eigenlijk al bij het maken van de offerte. De voorcalculatie neemt nog steeds een flink stuk van de totale doorlooptijd tussen aanvraag en levering voor zijn rekening, terwijl deze stap geautomatiseerd kan worden. Online platformen, die inkopers en machinefabrieken samenbrengen, bieden dikwijls de mogelijkheid om online al een prijsopgave te krijgen. Toegegeven, dat is dikwijls voor eenvoudige werkstukken.
De ontwikkeling in de calculatiesoftware gaat echter snel en sommige partijen slagen er ook in om het calculeren van complexe onderdelen vergaand te automatiseren. Hiermee kan men veel tijd besparen en sneller reageren. Een bijkomend voordeel van deze calculatiesoftware is dat men de berekeningen intern gebruikt om verschillende machines met elkaar te vergelijken. Is het goedkoper dit onderdeel op machine A te maken of machine B? Tot slot kan men door de echte waarden uit de productie terug te herleiden naar de calculatiesoftware deze steeds verbeteren.
Het Duitse TIC ontwikkelt calculatiesoftware die ook in staat is om complexe producten snel door te rekenen, waardoor calculatie-afdelingen veel tijd kunnen besparen.
De Duitse machinebouwvereniging VDW heeft enkele jaren geleden een belang genomen in de Duitse startup Spanflug die calculeren in de verspaning automatiseert.
