Keyboard ALT + g to toggle grid overlay
Nové technologie pro vývoj produktů připravují stoletou firmu na budoucnost výroby.
Výrobce strojů na zpracovávání sypkých materiálů se 113letou historií, Claudius Peters, prochází přeměnou na digitální firmu 21. století. Generativní návrh přináší do firmy zásadní změnu a radikálně odlišný přístup k navrhování a optimalizaci produktů. Tato technologie obvykle souvisí s 3D tiskem a firma jejím zavedením do tradičních výrobních postupů dokáže na trhu, kde nízká cena hraje důležitou roli, nabízet produkty s menšími výrobními náklady. Generativní návrh v těžké strojírenské výrobě pomáhá snižovat náklady na materiál a energie a zkracovat dodací lhůty, takže je Claudius Peters v měnících se časech konkurenceschopnější.
Firma ze staré školy se mění
Německá firma Claudius Peters je ukázkovým příkladem výrobce těžké techniky. Produkuje velké průmyslové stroje a technologie do závodů na zpracovávání cementu, oceli, sádry či hliníku. „Jsme specialisté na manipulaci se sypkými materiály,“ prohlašuje Thomas Nagel, provozní ředitel firmy Claudius Peters (CP). Firma sídlí v německém Hamburku a má 12 regionálních poboček v Americe, Evropě a Asii.
Byla založena v roce 1906 a už více než 100 let vyrábí velké a drahé průmyslové produkty – dopravníky, sila či drtiče. Nagel, který zde pracuje na pozici ředitele pro digitální technologie, se ale na věhlasnou historii firmy nijak neupíná a snaží se svému zaměstnavateli vybudovat reputaci globálního lídra v digitálních inovacích. Na cestu za inovacemi se firma Claudius Peters vydala v roce 2014 s cílem snížit náklady, zlepšit kvalitu, zkrátit dodací lhůty a zlepšit spokojenost zákazníků. Záhy si ale uvědomila, že k tomu, aby ve 21. století zůstala konkurenceschopná, potřebuje víc než jen nový software. V roce 2018 započala další transformaci v agilní podnik, k čemuž potřebuje nové digitální dovednosti a firemní kulturu zaměřenou na kreativní řešení problémů, experimentování a iteraci.
Cesta za inovacemi začíná
Spolupráce s technologickými partnery, jako je Autodesk, byla pro Claudius Peters na cestě za inovacemi klíčová. Firma zavedla nové nástroje včetně aplikace BIM 360 (angličtina), aby propojila procesy napříč prodejem, projektovou přípravou, navrhováním, výrobou a montáží. Dále pomocí aplikace Inventor a analýzy metodou konečných prvků (MKP) našla nové postupy modernizace výroby. Při instalaci svých strojů začala používat 3D snímání reality pomocí nástrojů ReCap a Navisworks, které sbírají data u zákazníka a rychle je předávají technickým a návrhářským týmům v Německu. „Díky tomu dokážeme pracovat rychleji, kvalitněji a s nižšími náklady a naši zákazníci jsou spokojenější,“ říká Nagel.
„Tím ale naše inovace neskončily,“ dodává. Nagel pod vlivem ukázky generativního návrhu v aplikaci Fusion 360 uspořádal v CP čtyřhodinový workshop o této nové technologii.
Software Autodesk pro generativní návrh (angličtina) na základě návrhových cílů a omezení hledá možné varianty návrhových řešení a rychle generuje desítky možností, ze kterých lze vybírat. Po zkouškách s několika obecnými součástkami se tým firmy rozhodl vyzkoušet generativní návrh k optimalizaci dílu jednoho ze základních produktů CP pro cementárenský průmysl – chladiče slínku.
Co je chladič slínku?
Cementárenský průmysl byl od počátků existence Claudius Peters hlavním odběratelem produkce firmy. Výrobci cementu míchají kamennou drť a zahřívají ji v peci na 1 450 °C, čímž vznikají malé zaoblené hrudky zvané slínek. Dočervena zahřátý slínek se odvádí do chladiče slínku, což je masivní stroj o rozměrech 50 krát 25 metrů. Při průchodu chladičem je slínek ochlazován vzduchem na přibližně 100 °C. Poté jej výrobce pomele a smísí s ostatními složkami cementu.
Firma CP začala chladiče slínku vyrábět počátkem 50. let 20. století a v průběhu následujících 60 let jich dodala zákazníkům více než 700. K výrobě slínku je ale potřeba velké množství energie, kvůli čemuž je cementárenský průmysl jedním z největších producentů oxidu uhličitého na světě.
Krátce po roce 2000 začala firma CP vyvíjet novou generaci energeticky úsporných chladičů slínku ETA, kterou pojmenovala podle řeckého písmene „η“ („éta“), jež značí energetickou úspornost. „Jednou z největších výhod našeho chladiče ETA je vynikající tepelná účinnost, říká Nagel. „Související energetické úspory mohou pomoci se snižováním negativního dopadu výroby cementu na životní prostředí.“ Nejvíc zakázek má dnes firma CP na obměnu chladičů slínku za chladiče ETA, které zvyšují efektivitu cementáren.
Generativní návrh přináší překvapivé výsledky
Firma CP se rozhodla pomocí generativního návrhu optimalizovat jednu součástku chladiče ETA – těžký kovový díl, který byl nedávno upraven tradičními návrhářskými metodami na odstraňování přebytečného materiálu. Takových dílů se v každém chladiči ETA nachází 50 až 60 a jsou sešroubovány dohromady na skupině dopravníků, které přesouvají roztavený slínek strojem. „Tento odlévaný díl jsme optimalizovali několikrát po sobě,“ říká Maximilian Lerch, konstruktér v CP. „Cílem bylo snížit hmotnost a související náklady na kovy. I sebemenší optimalizace hmotnosti by měla velký účinek.“
„Bylo zajímavé pozorovat všechny techniky, jak se shromáždili kolem jedné počítačové obrazovky a sledovali, jak generativní návrh na základě prakticky ničeho, jen pouhých omezení, vytváří optimalizovaný a odolný díl,“ pokračuje Lerch. „Všechny iterace, které jsou potřebné k nalezení nejlepšího řešení, jsou prováděny softwarově.“
První výsledek práce s generativním návrhem přišel po čtyřech hodinách: „Nazvali jsme ho ‚cizokrajným dílem‘,“ říká Nagel. „Výsledek nás překvapil tím, že se od našeho optimalizovaného dílu výrazně lišil. A byl o 30 až 40 % lehčí.“
-
Při výrobě cementu je dočervena zahřátý slínek předáván z pece do chladiče ETA, který dokáže zpracovat až 13 000 metrických tun slínku za den.
-
Dopravníky přesouvají roztavený slínek chladičem ETA, kde je ochlazován vzduchem na přibližně 100 °C.
-
Každý chladič ETA obsahuje kolem 60 přenosových dílů, jež jsou umístěné na dopravnících pro přesun slínku chladičem.
-
Původní přenosový díl (vlevo) byl navržen v roce 2016 a byl nainstalován a prověřen ve 14 chladičích slínku.
-
Nově navržený díl (vpravo) vychází z generativního návrhu a je o více než 50 % lehčí než ten původní. Znamená tedy výraznou úsporu na materiálu a energii.
-
Na obrázcích je znázorněný vývoj dílu chladiče slínku z původního výrazně geometrického návrhu (horní řada, vlevo na konci) po generativně navržené iterace, které prošly zpětnou analýzou.
Fotografie poskytla firma Claudius Peters
Přizpůsobení generativním návrhem vytvořeného dílu tradiční výrobě
Skeptičtí technici ve firmě Claudius Peters provedli s „cizokrajným dílem“ výpočty a analýzu MKP a užasli, když zjistili, že díl je mnohem úspornější než jeho tradičně optimalizovaná verze. Tým začal hledat postup výroby navrženého dílu. „Generativní návrh používá k výrobě produktů 3D tisk a jiné metody aditivní výroby,“ říká Nagel. „V našem oboru je 3D tisk dílů neuplatnitelný, protože je příliš drahý.“ Ale díky koncepcím generativního návrhu a tradiční optimalizace „zabrala zpětná analýza dílu pouhý týden a nyní jej dokážeme vyrábět tradičními postupy.“
Tým Cladius Peters testoval různá výrobní řešení ve firemní slévárně za pomoci aplikace Inventor a analýzy MKP. „Rozhodli jsme se, že díl nevyrobíme odléváním, ale pomocí laserově řezaných plátů a svařování,“ prohlašuje Nagel. „Snížili jsme hmotnost dílu o dalších 25 %, zrychlili jsme jeho výrobu a snížili jsme náklady, které jsou s jeho produkcí spojené.“ Tým i dále studuje konstrukční možnosti přenosového dílu a hledá další příležitosti k jeho zlepšení a zlevnění jeho výroby. „Velmi brzy bychom jej měli začít vyrábět,“ pokračuje Nagel. „Očekávám, že do roka si někde ve světě najde uplatnění.“
Využívání výhod generativního návrhu
Generativně navržený díl dokáže firmě CP u každého nově nainstalovaného chladiče slínku ušetřit významnou částku. V souvislosti se snížením hmotnosti přenosového dílu o přibližně 20 kilogramů (44 liber) očekává firma úsporu asi 100 EUR (113 USD) na díl – krát 60 nebo více dílů v každém chladiči. A menší hmotnost znamená nižší náklady na dopravu. „Od vytvoření prvního prototypu jsme věřili, že nám generativní návrh pomůže snížit náklady na výrobu produktů a zlepšit naši konkurenceschopnost,“ říká Nagel.
Generativní návrh také znamená větší udržitelnost. „Můžeme vyměnit těžší díly, které odléváme ve slévárnách v Indii a Turecku, za lehčí svařované díly, které dokonce dokážeme vyrábět v našem zdejším závodu,“ prohlašuje Nagel. „Šetříme materiálem, zkracujeme dobu přepravy a omezujeme další negativní dopady na životní prostředí.“
Firma Claudius Peters v současnosti zavádí generativní návrh jako standardní postup optimalizace existujících dílů a navrhování dílů nových. „V budoucnu najdeme další díly, které je možné optimalizovat a odlehčit o část materiálu,“ říká Nagel. „Postupně chceme vyzkoušet, jestli bude mít generativní návrh stejné pozitivní přínosy u všech dílů.“
Související produkty
Výsledky vyhledávání momentálně nelze zobrazit. Vraťte se později.