ENGINEERINGNET.BE - Door ervaring en nauw samen te werken met klanten uit een breed scala van industriële sectoren, kan Harting, fabrikant van industriële interfaces, praktische aanbevelingen en ervaringen delen waarmee fabrikanten en gebruikers van productiesystemen het enorme potentieel van miniaturisatie kunnen ontdekken en benutten.
Er zijn talloze voorbeelden van de geleidelijke miniaturisatie van technische systemen. De wet van Moore stelt bijvoorbeeld dat de integratiedichtheid van microchips elke 18 maanden verdubbelt. Tegenwoordig betekent dit dat één enkele chip ongeveer 35 miljard transistors verpakt. De smartphone is een ander voorbeeld. De afgelopen 20 jaar ontwikkelde die zich van mobiele telefoon tot een geïntegreerd communicatie-, navigatie-, entertainment- en professioneel multifunctioneel apparaat.
De trend van het samenbrengen van functies en technische eigenschappen leidde al tot nieuwe technische disciplines: waar de grens tussen elektronica en mechanica steeds vager wordt, spreekt men van mechatronica. Het feit dat het miniaturiseren van technische structuren een algemene trend is, is niet alleen te zien in consumptiegoederen. De SpaceX's Falcon Heavy-draagraket, momenteel de krachtigste draagraket ter wereld, is filigraan vergeleken met de historisch krachtigste Saturnus V-raket in het Apollo-programma. De SpaceX bespaart energie en andere hulpbronnen en is ook gedeeltelijk herbruikbaar. Maar is de huidige miniaturiseringstrend ook zinvol voor productiesystemen in het algemeen?
Men hoort al eens dat de trend sowieso maar een beperkte impact zou kunnen hebben op machines en installaties, omdat - ze, in tegenstelling tot typische microprocessor-IC's of smartphones, geïnstalleerd en gebruikt worden in een industriële omgeving; ze veel minder energie verbruiken dan spectaculaire systemen zoals draagraketten.
Deze argumenten verliezen hun betekenis zodra we inzien dat miniaturisatie geen doel op zich is, maar een "middel tot een doel". Technisch gezien is elke oplossing die economischer en efficiënter is een "miniaturisatie" die minder productie, verbruik of andere materialen vergt en die het energiegebruik, arbeid en andere hulpbronnen optimaliseert, zolang de vereiste functionaliteit gegarandeerd blijft en zowel het ontwerp van de machinemodules en componenten als de sequenties in het productieproces consistent blijven.
Het besparen van materiaal en energiebronnen is het eigenlijke doel dat je met miniaturisatie beoogt te bereiken. Om de kosten en baten van miniaturisatie in productiesystemen correct en volledig te beoordelen, is het noodzakelijk om zowel het standpunt van OEM's in de machine- en fabrieksbouw als het standpunt van eindklanten/operatoren in overweging te nemen. De Life Cycle Costs (LCC) analyse, die de Duitse Engineering Federatie (VDMA) ontwikkelde, kan als richtlijn dienen voor een systeemgerichte aanpak.
Bovendien kan de procedure zeer doelgericht zijn volgens de desbetreffende secties van de VDI 4800 BLATT 1-richtlijn (Meting en evaluatie van de efficiëntie van hulpbronnen, februari 2016). De standaarden en methoden van een dergelijke analyse en de afgeleide maatregelen worden hier beschreven. Bijzonder succesvolle bedrijven tonen dat dergelijke analyses een systematische lijst van mogelijkheden vergen. Uiteindelijk zal de implementatie van de maatregelen concurrentievoordelen opleveren die in de loop van de levenscyclus van een productiesysteem zullen worden ontwikkeld.
Harting is een van 's werelds toonaangevende leveranciers van oplossingen voor alle soorten interfaces die nodig zijn in moderne besturingen, aandrijvingen, HMI- en communicatietechnologie voor productiesystemen. De rol van interfaces in het miniaturisatieproces is niet te onderschatten, zoals het volgende voorbeeld heel treffend laat zien.
Toen Intel eind de zeventigerjaren zijn 8086-microprocessor ontwikkelde, telde die gemiddeld een 10.000+ transistoren; een dubbelrij 40-polige aansluittechniek in een DIP-pakket voldeed absoluut aan de eisen. Nauwelijks tien jaar later kwam de 80486 microprocessor van dezelfde fabrikant eraan met een miljoen transistoren. Daarvoor waren pin-grid-arrays (PGA) met verschillende honderden pins nodig als interfaces om het volledige scala aan functies (incl. aantal interfaces, EMC ...) van de betrokken computersystemen te verzekeren!
Daarnaast was het ontwerp van interfaces van doorslaggevend belang voor het succes van bepaalde series microprocessoren of individuele versies. Net als bij IC-technologie nemen de verpakkingsdichtheid en de mate van integratie van machinemodules en aggregaten in de productietechnologie voortdurend toe en, in overeenstemming met deze vereisten, zijn ook de interface-oplossingen optimaal ontworpen. Op basis van ervaring, opgedaan in nauwe samenwerking met klanten uit een zeer breed gamma industriële sectoren, kan HARTING passende aanbevelingen doen.
De volgende belangrijke innovatiefasen kunnen hieruit worden afgeleid:
- Optimalisatie door downsizing, vereenvoudiging, minimalisering van materiaalkosten en het gebruik van vooruitstrevende nieuwe materialen voor bestaande componenten, modules en complete systemen op basis van groeiende kernkennis bij OEM’s en dankzij het gebruik van steeds preciezere CAE-tools en -methoden
- Het verkleinen van componenten, aggregaten en machinemodules door twee of meer functionele eenheden te combineren die voorheen afzonderlijk werkten en daardoor de integratiegraad van deze eenheden te vergroten
- Het gebruik van innovatieve technologieën en/of de combinatie van bestaande en nieuwe technologieën voor componenten, aggregaten en modules -met als doel aanzienlijke materiaal- en kostenbesparingen of productiviteitswinsten te halen die tot nu toe niet mogelijk waren.
Hoewel downsizing en het stroomlijnen deel zijn van de dagelijkse business bij machinebouw-OEM's -en daarom vanzelfsprekend zijn- vergen de twee complexere factoren/niveaus meer uitleg.
De volgende voorbeelden illustreren de innovatieve effecten van het combineren van voorheen afzonderlijke functionele eenheden:
- In het geval van motorspindels op gereedschapsmachines zijn alle mechanische elementen (assen, lagers, gereedschapsklemmen, enz.) van de aandrijfmotor zo ontworpen dat ze zonder verder aanpassen in de machine kunnen worden geïntegreerd, terwijl ook extra elementen kunnen worden geïntegreerd en ze bestand zijn tegen alle belastingen van de machine. Tegelijkertijd worden alle noodzakelijke elementen van de elektrische servo-aandrijflijn -wikkelingen van de elektromotor, encoders en sensoren (positiedetectie, temperatuur, trillingen)- direct aangepast aan de vormfactor van de totale eenheid
- Grijpersystemen van robots kunnen op verschillende manieren sterk worden geïntegreerd, afhankelijk van de taak en complexiteit van de functies van het totale systeem en afgestemd worden op specifieke taakpakketten, terwijl ze flexibele set-ups en arrangementen bieden. Er zijn talloze voorbeelden van deze systemen met zowel een hoge mate van integratie als een hoge functionele dichtheid.
De derde innovatiefase is vaak kostenintensief en technisch de meest veeleisende. Het maakt echter ook de grootste innovatiesprongen mogelijk:
- Zo worden in een volledig elektrische kunststofspuitgietmachine het injecteren en doseren van de kunststof evenals het openen en sluiten van de mal volledig overgezet op servoaandrijvingen; Hierdoor kunnen de machinemodules veel compacter worden ontworpen. Als bijkomend positief effect kan het energieverbruik bijna worden gehalveerd vergeleken met machines met gelijkaardige prestaties die echter gebruikmaken van conventionele hydraulische technologie
- Het laatste voorbeeld betreft sterk geïntegreerde transportsystemen gebaseerd op lineaire motortechnologie met individuele, onafhankelijk elektronisch gestuurde sledes met hun eigen individuele bewegingsprofielen: ze maken nieuwe concepten en prestatiebereiken mogelijk in productiesystemen met geklokte bewegingssequenties voor de werkstukken.
Op grond van succesvolle gedrag van klanten die actief zijn in de machinebouw, kunnen algemene procedures worden afgeleid en kunnen stappen worden aanbevolen om gericht materiaal te besparen en productiesystemen te miniaturiseren. In het algemeen is het raadzaam om het besparings- en miniaturisatiepotentieel van individuele machinemodules of van het volledige systeem te evalueren met behulp van de reeds genoemde normen en evaluatiemethoden (bijv. volgens de levenscyclustijdanalyses van VDMA (1) of richtlijn VDI 4800 KAART 1 (2)).
De volgende procedure wordt aanbevolen:
- Beschouw het uitvoersysteem afzonderlijk volgens machinemodules, eenheden en functies en prioriteer volgens een van de aanbevolen systemen. Het doel is om een ??hogere prioriteit te geven aan die elementen die het hoogste materiaal- of kostenaandeel van een systeem vertegenwoordigen. Zo kunnen de onderdelen met het hoogste besparingspotentieel worden geïdentificeerd.
- Via een "deskundige analyse" die dezelfde doelen nastreeft als hierboven, worden vaak bijkomende, minder voor de hand liggende optimalisatiemogelijkheden, die inherent zijn aan het systeem, ontdekt.
- Vervolgens worden de systemen met de hoogste besparingspotentieel beoordeeld vanuit een ander oogpunt, namelijk volgens…
- Sleutelfuncties die de kerncompetentie van de OEM weerspiegelen;
- Basisfuncties (bijv. drager- of transportsystemen), voor het hele systeem;
- Add-on- of hulpfuncties die beter aansluiten bij de algemene stand van de techniek en van secundair belang zijn voor de OEM.
De resultaten van de evaluatie moeten in een zo abstract mogelijke matrix worden voorgesteld. Een resultatenmatrix evalueert de haalbaarheid, technische risico's en mogelijke besparingen. Dit overzicht geeft een goede technische en economische verantwoording voor de volgende concrete stappen in de miniaturisatie en het daaruit voortvloeiende ontwikkelingsproces. Het vergelijken van de opgebouwde matrix met de resultaten van regelmatige tussentijdse evaluaties maakt het mogelijk efficiënt bij te sturen en tijdens de ontwikkelingsfase ook transparant te tonen hoe de doelstellingen worden gerealiseerd.
In de loop van gerichte materiaaloptimalisaties en het miniaturiseren van onderdelen van productiesystemen kunnen enorme besparingsmogelijkheden worden blootgelegd. Met slechts een paar revisie- en herbewerkingsstappen kan de OEM transparantere machines realiseren die qua kosten en vereisten zijn geoptimaliseerd- en over het algemeen kan vervolgens ook de eindgebruiker aanzienlijk besparen qua energie en hulpbronnen.
De Harting Technology Group ondersteunt de miniaturisatie in de machinebouw en fabrieksbouw door oplossingen te bieden voor alle interfaces die essentieel zijn voor moderne besturings-, aandrijf-, HMI- en communicatietechnologie voor productiesystemen. Doorslaggevend is dat miniaturisatie geen functionele beperkingen met zich meebrengt. Dezelfde drie innovatieniveaus zijn terug te vinden in de producten en oplossingen voor industriële interfaces, die, afhankelijk van het niveau van miniaturisatie en de mate van integratie, geschikt zijn voor de betreffende toepassing.
In principe is er geen ondergrens voor miniaturisatie, althans niet voorzover dat aan de interfaces ligt. Het zijn tenslotte niet de interfaces, maar de functionaliteit en de grootte van het systeem die het "leidende principe" zijn bij miniaturisatie - ook in de productietechnologie. Zoals al vele jaren wordt bevestigd in de samenwerking van Harting met haar klanten, kunnen de beste resultaten op het gebied van "neerschalen" in de machinebouw en installatiebouw precies worden bereikt wanneer de eisen van OEM's worden gecombineerd met de praktische ervaring van interface-fabrikanten voor verschillende bedrijfstakken en toepassingen.
Dit resulteert in innovatieve oplossingen die de weg openen naar flexibele, technisch en economisch geoptimaliseerde oplossingen - en de richting aangeven voor toekomstige ontwikkelingen.
Door Dipl.-Ing. Jakob Dück, Global Industry Segment Manager
Bronnen:
M. Bode, F. Bünting, K. Geißdörfer, "Rechenbuch der Lebenszykluskosten", uitgeverij VDMA, ISBN 978-3-8163-0617-7
VDI 4800 Part 1: 2016-02, "Resource Efficiency - Methodological Foundations, Principles and Strategies" https://www.vdi.de/richtlinien/details/vdi-4800-blatt-1-ressourceneffizienz-methodische-grundlagen-prinzipien- und-strategien
