Festo’s Technology Plant: leerschool voor Industrie 4.0

Eind vorig jaar opende Festo zijn nieuwe ‘leading plant’ voor de productie van ventielen, ventieleilanden en elektronica in Scharnhausen.

Trefwoorden: #Festo, #Industrie 4.0, #Internet of Things, #technologie, #ventieleilanden, #ventielen

Lees verder

Magazine

Download het artikel in

ENGINEERINGNET - Deze fabriek, die 1.200 mensen te werk stelt, werd ingeschreven in de Industrie 4.0-trend met extra aandacht voor productiviteit en energie-efficiëntie.

Het is, naast productiebedrijf, eveneens bedoeld als een leerschool in de nieuwste evoluties van Industrie 4.0 en werd daarom Scharnhausen Technology Plant genoemd.

Het ontwerp van de Technology Plant begon in 2010. Toen kreeg een multidisciplinair team de opdracht binnen het bestaande gebouw van vier verdiepingen van Scharnhausen (66.000 m²) de hele productie van ventielen en ventieleilanden, die op dat ogenblik verspreid zat over drie locaties, samen te brengen.

De opdracht was om van de verhuis gebruik te maken om een top technologisch Industrie 4.0-bedrijf neer te zetten. De pers werd er bij gehaald om deze fabriek te bezoeken en te constateren hoe die doelstellingen werden gehaald.

Van serieproductie tot stukwerk onder één dak
Laten we eerst de fabriek zoals ze vandaag er is, bekijken. Ze voldoet aan de twee essentiële trends in de markt: enerzijds de trend naar ‘steeds meer varianten’ binnen de productfamilies, anderzijds ‘reëel maatwerk’ leveren - dikwijls één stuk of een ‘direct inzetbare assembly – voor klanten.

Om met deze laatste te beginnen: in de customer solution afdeling werken 200 mensen in 5 assemblage-eenheden. Hiervan 85% vaste mensen, 15% interim-arbeiders. Deze afdeling is vandaag vooral goed georganiseerd, nog weinig geautomatiseerd. Er ging veel aandacht aan de ‘digitale’ koppeling tussen ERP, picking, metaalbewerking en assemblage.

Belangrijk toekomstpunt is om de ‘richtlijnen voor assemblage’ - gebaseerd op de 3D-CAD-voorstellingen uit engineering - via tablet ter beschikking te stellen van de medewerkers. Hiermee moet men deze assemblage kunnen versnellen en foutvrij krijgen. En men wil - na testen - via foto’s van de eindassemblage de traceerbaarheid beter bewijsbaar wil maken.

Om echter deze CAD-voorstellingen ter beschikking te krijgen zonder heel wat engineeringscapaciteit binnen de Festo-organisatie, werd een ‘configurator’ ontwikkeld. Deze wordt via internet aan de klanten ter beschikking gesteld. De klant configureert hierop zelf zijn gewenste ventieleilandstructuur.

Deze komt ter beschikking van de maatwerkassemblage, maar gelijktijdig is ze de basis voor de productie van de juiste varianten van de basiscomponenten, voor de metaalbewerking (configuratie van de metalen basisdelen, zowel de standaard als de specifieke metal parts)...

En tot slot is de configurator ook de ruggengraat voor de logistiek: de picking en ter beschikking brengen van alle noodzakelijke componenten naar de customer solution assemblage. Industrie 4.0 trekt de intelligentie door vanaf de klant tot in de maatwerkproductie.

Meer varianten met minder machinestilstand
De meeste ‘aanwijsbare’ Industrie 4.0 technologie zit in de metaalbewerking en in de variantenassemblage van de ‘in de catalogus opgenomen’ ventielen en ventieleilanden. In de metaalbewerking staan de meest flexibele bewerkingscentra, maar duidelijk nog gericht op massaproductie.

Omdat de seriegroottes enorm daalt, wordt het verminderen van machine-stilstandtijden door omstelwerk cruciaal.
Eén van de pistes om de omsteltijd drastisch te reduceren bestaat er in om de nieuwe machinecentra aan te kopen met grote gereedschapswisseleenheden.

Bij variantenwissel dient enkel nog het programma gewisseld te worden en er is dus geen verliestijd voor het wisselen van gereedschappen. Er was wel de - wat onbegrijpelijke - opmerking van de rondleidende verantwoordelijke dat er voor deze nieuwe generatie machines wel stilstanden moesten voorzien worden om alle gereedschappen te wisselen, maar dat dit gepland kon gebeuren in ‘verloren tijd’ (bijvoorbeeld bij onderhoudsstilstanden).

Gereedschapsmanagement met flexibele ‘on the flight’ gereedschapswissel – wat men soms ziet bij onderaannemers gespecialiseerd in metaalmachining – is blijkbaar niet in het programma ingeschreven.

Massa’s productvarianten uit één automatische assemblagelijn
Er zijn automatische assemblagelijnen per ‘familie’ ventielen. Deze nieuwe lijnen zijn enerzijds voor klanten een toonzaal van wat met de modules kan.

Ze zijn daarenboven sterk Industrie 4.0 geïnspireerd. In de eerste plaats laten ze toe om alle varianten – in theorie zelfs stuk per stuk – door elkaar monteren. Dat kan omdat permanent alle noodzakelijke bouwcomponenten in de lijn aanwezig zijn. Daarenboven is elke productielijn opgebouwd uit ‘intelligente machinemodules’ die telkens een logische set deeltaken aankan voor alle varianten.

De verschillende deeltaak-modules worden in serie achter elkaar en – voor de bottlenecks – in papallel naast elkaar gezet. Het gaat niet om een systeem van flexibel in- en uitbouwen van ‘mobiele’ modules i.f.v. de productieruns (de topologie die men soms over de toekomstige flexibele productielijnen leest).

Het gaat om vast opgestelde lijnen, die door hun module-opbouw in de loop van de tijd gemakkelijk kan aangepast worden in functie van de noodzakelijke (in de planning voorziene) productiecapaciteit, in functie van nieuwe varianten.

In de lijn van Industrie 4.0 (het luik van ‘intelligente onafhankelijke machines die samenwerken) hebben deze lijnen geen centrale stuurkast meer. Elke modules heeft zijn elk hun eigen sturing. Er is dus niet één centraal programma, maar elke module kan zijn deelprogramma laden i.f.v. de variante(s) die moet(en) geproduceerd worden.

Om een vlotte doorstroming te realiseren, communiceren de autonome sturingen onderling. Voor dit concept werd gekozen omdat men dan zowel flexibeler de interne werking in de modules kan aanpassen. Men kan er probleemloos zelfs totaal andere assemblagetechnieken integreren en hun werking aanpassen i.f.v. de evolutie van de varianten.

In het achterhoofd van de engineering is de volgende stap om deze modules uit te rusten met extra software waardoor ze hun werkbelasting zelf zouden kunnen opvolgen. Het doel hiervan is dat ze zelf i.f.v. de door ERP gevraagde varianten hun snelheid bepalen en hierdoor de lijnsnelheid optimaliseren.

Ze zouden dan hun productiesnelheid kunnen opdrijven bij risico van bottleneck of als de hoogste snelheid niet nodig is, kunnen ze via de drives de aandrijfmotoren trager doen werken, dit om dan weer om energetisch het meest gunstig te kunnen produceren. Dat komt overeen met het idee uit Industrie 4.0 dat machinemodules met artificiële intelligente door onderlinge communicatie en ‘ervaring-opbouw’ productie-optimaliseringen zouden kunnen realiseren die vandaag eerder wishful thinking zijn.

IT en Robots werken samen met mensen
In de assemblage van de ventieleilanden zijn delen geautomatiseerd, maar er is ook nog heel wat manueel assemblagewerk. Hierin zit echter heel wat repetitief werk.

Denk aan het plaatsen van de ventielcomponenten op de module. Repetitief, vervelend en niet erg ergonomisch. Dus logisch een taak die men tracht te robotiseren. Probleem is om een robot in zijn kooi in zo’n lijn met manuele werkposten te zetten. Storend, niet praktisch...

Binnen Industrie 4.0 wordt dan ook een belangrijk aandachtspunt gegeven aan gemeenschappelijke mens-robot-werkplaatsen. Ook Festo heeft - trouwens reeds in de ‘oude’ fabriek - geëxperimenteerd met een ‘interactieve’ manrobotcel, waarbij heel wat ontwikkelingswerk - o.a. het realiseren van de nodige beveiligingen (met o.a. de touch huid, de krachtsensor in de grijper...) - ging naar de veiligheid binnen een dergelijke werkomgeving.

Het bedrijf werkte in dit verband actief mee in de normcommissies die over deze materie gaan. En deze mens-robotcel voldoet dan ook aan de zgn. COBOT (collaboratieve robot) norm ISO/DTS 15066, die nog in een ontwikkelingsfase is (zie kader).

En binnen Industrie 4.0 speelt ook IT een grote rol. Naast de IT voor het helpen bij assemblage van varianten (geen papieren handboek, maar enkel die informatie die nodig is voor die specifieke toepassing) is er ook het ‘tracking and tracing’-luik. De Duitsers bouwen deze tracking & tracing op twee componenten: tablets en smartphones leesbare 3D-barcode.

Het doel is om deze barcode aan te brengen op de basisplaat van de assembly en deze te koppelen met de te maken variante (en desg. direct ook met ERP-gegevens als klant, bestelling...). In elke ‘productiestap’ dient de barcode om het onderdeel te identificeren en op de werkpost de noodzakelijke instructies en documentatie op de smartphone te genereren.

De basis voor dergelijk systeem is reeds gerealiseerd. Een full integratie moet nog ontwikkeld worden. Dergelijke tracking and tracing (van zowel het onderdeel als van elke noodzakelijke informatie in elke productiestap) is een belangrijk item binnen het genereren van ‘efficiëntie’ in Industrie 4.0.

Zuinig met energie
Flexibiliteit en rendement zijn drijfveren om nieuwe Industrie 4.0 technologieën te ontwikkelen. Maar energie is een belangrijke kost en duurzaam is men pas als men produceert met minimale grondstoffen, inclusief energie. Daarom is er veel aandacht gegeven aan de energiecentrale voor de fabriek. Er is daarom een warmtekrachtcentrale voor het genereren van elektriciteit, warmte en (vanuit warmte adiabatische) koeling.

Tweede energiebesparing is in productie: de drives wisselen hun energie uit, zodat remenergie wordt gerecupereerd. Maar dit enkel op niveau van de machinemodules. En de snelheid van de machines daalt als de productie geen full capaciteit vergt. Via frequentieregelaars kan men hier heel wat energie besparen (de energiebesparing bij snelheidsdaling is kwadratisch t.o.v. de snelheid).

Een grote leerschool
De fabriek in Scharnhausen is een productiefabriek. Maar ze is tevens een leerschool en een kweekvijver voor de verdere evolutie richting Industrie 4.0 productie. Enerzijds is de opbouw dusdanig dat flexibiliteit en efficiëntie vandaag hoog is en permanent kan verbeterd worden.

Dat streven is gestart vanaf de engineeringsfase, waarbij via 3D-modellen, niet enkel op computer ook in realiteit, de lay-out kon worden bestudeerd. Het was iets tastbaar en visueel. Het hielp in de besprekingen met de medewerkers zodat enerzijds de meest efficiënte flow kon worden gerealiseerd, anderzijds de medewerkers niet in een nieuwe omgeving terecht kwamen, maar op voorhand wisten waar ze zouden terecht komen.

Omdat Industrie 4.0 ook een andere manier van denken is, moeten mensen opgeleid worden in deze technieken, in deze nieuwe ‘levenswijze’. Daarom werd binnen de fabriek ook een learning center opgezet met reële machines/werkposten. Hier kunnen mensen ‘permanent’ opgeleid worden.

Lesgevers zijn de afdelingshoofden en opleidingen worden ingepland binnen de werkomgeving (en i.f.v. de productiebelasting). Naast deze praktische opleidingen is er ook het permanent werken aan de ‘denkwereld’. Daarvoor zijn specifieke ‘denktanks’, ruimtes totaal anders ingericht dan de eigen standaarden (die over de ganse fabriek zeer dominant zijn). Het moet toelaten de wereld ‘los van de bedrijfsblindheid’ te zien.

Uit het bezoek blijkt duidelijk dat Festo met de fabriek te Scharnhausen zich heeft ingeschreven in de Industrie 4.0 beweging: produceren met hogere efficiëntie volgens nieuwe doorgedreven IT- en mechatronica-technieken. Gelijktijdig ziet men dat er nog veel werk is en een hele weg nog te gaan is....


(foto's: Festo)
door Alfons Calders, Engineeringnet

Kadertekst:
Update: herziene ISO 10218 voor mens/machine-samenwerking
Een klassieke industriële robotarm wordt positiegestuurd. De robot detecteert geen hindernis en stopt dus niet voor een hindernis. Een werkende robot – een machine van enkele ton - moet dus afgeschermd worden. Maar in sommige toepassingen - o.a. samenwerking met mensen - moet de robot wel hindernissen detecteren.

Dit vertaalt zich enerzijds in ruimtedetectie, bijvoorbeeld via 3D-radarsensoren. Maar omdat ‘veilige afstanden’ niet bestaan en dus directe interactie met de hindernis mogelijk is, is de oplossing een krachtcontrole over de arm die beweegt. Als de robot iets raakt, moet hij dat op een veilige manier doen, dus kracht-gecontroleerd. Dit wordt in de onderzoekswereld al tientallen jaren bestudeerd.

Voor de mens-robot samenwerking is er de herziene ISO 10218 (van toepassing vanaf januari 2013), waarbij de ISO 10218-2 de integratie van de robot in zijn (productie)omgeving definieert. Het grote verschil met de 2006-versie is dat er geen grenswaardes gezet zijn op kracht en snelheid van de robot, maar dat de waardes nu bepaald moeten worden door de integrator via een risicoanalyse van de robotcel.

Nog in ontwikkeling - volgens sommigen reeds in een afrondfase - is er bijkomend de ISO/DTS 15066 (Technical Specification for safety requirements for industrial robots and their devices in collaborative operation). Deze standaard specifieert vier types mens-robot-interacties: (1) Safety Monitored Stop, (2) Hand Guiding, (3) Speed & Separation Monitoring and (4) Power & Force Limiting.


(AF)