SIEMENS – Digitální dvojče a jeho výhody v praxi

Jako generální partner jsme se ve dnech 8. a 9. června 2021 zúčastnili konference Digitální výroba 2021. Tento článek je přepisem příspěvku Tomáše Duby, ředitele Motion Control, Siemens s.r.o., který na konferenci vystoupil na téma Digitální dvojče a jeho přínosy v praxi pro výrobce strojů a pro jejich koncové zákazníky.

Co si můžeme představit pod digitálním dvojčetem?

Digitální dvojče může být dvojčetem čehokoliv. Já se s ohledem na charakter této konference zaměřím na svět průmyslu, a proto budu mluvit o digitálním dvojčeti výrobku, vlastního stroje a výroby. Nejedná se v zásadně o novou věc, ale smysl a nejvyšší míru přidané hodnoty přináší až teď, kdy dochází k propojení do celistvého řetězce hodnot.

Pojďme si nyní digitální dvojčata obecně rozdělit z pohledu výrobních strojů, a to pro mě nejbližších: obráběcích strojů.
Začnu tím obecně nejznámějším a nejpoužívanějším, digitálním dvojčetem výrobku, v našem případě obrobku. Představte si elektronický model ve 3D podobě.

Pak tu máme digitální dvojče obráběcího stroje. Takové dvojče je přesným mechatronickým obrazem své předlohy a zachovává si všechny fyzikální i elektronické vlastnosti (tj. chování řídicího systému).

A nakonec tu máme digitální dvojče výroby, v našem případě obrábění. Jedná o simulaci vlastního výrobní procesu reálného obrobku na konkrétním obráběcím stroji, která se ale virtuálně odehrává v plně digitálním prostředí.

Obecně vzato digitální dvojče přináší optimalizaci procesů během celého životního cyklu obráběcího stroje a otevírá prostor pro nové byznys modely. A to jak pro výrobce stroje, tak i jeho uživatele. Dá se říct, že digitální dvojče je ideálním průnikem pohledu uživatele a výrobce stroje na proces obrábění.

Co digitální dvojče přináší z pohledu provozovatele, či chcete-li koncového uživatele stroje?

Tady to začíná být zajímavé a konkrétní. Digitální dvojče vstupuje do hry už při samotném výběru nového stroje. Dnes ti nejpokrokovější, do budoucna pak všichni, koncoví uživatelé strojů požadují již během výběrového řízení i digitální dvojče poptávaného stroje jako standardní součást nabídky stroje.

Důvod to má ten, že již během výběrového řízení si může jeho budoucí provozovatel ověřit, že stroj odpovídá jeho požadavkům a zadání. Vtip je totiž v tom, že koncový uživatel disponuje digitálním dvojčetem obrobku formou 3D modelu, a pokud mu potenciální dodavatel předvede digitální dvojče samotného stroje, včetně simulace obrábění, tj. dvojčetem výroby, je pak uživatel schopný si ověřit a odsimulovat zda vůbec a nakolik stroj odpovídá jeho požadavkům a zadáním.

Dále si může ověřit reálné výrobní časy, potřebné obráběcí nástroje včetně jejich životnosti a tím pádem i celkovou nákladovost pořizovaného stroje (tj. návratnost své investice).

Celé dohromady to minimalizuje riziko při výběru nového stroje. A to je ten pravý důvod, proč se stále častěji a častěji setkáváme s tlakem od uživatelů strojů na jejich výrobce, aby digitální dvojče bylo již v základu DNA stroje.

A co jsou naopak největší výhody pro výrobce strojů?

Klasický způsob návrh nového stroje probíhá od vytvoření jeho konceptu, vytvoření designu, následně řídicího algoritmu v PLC a celkovému zprovoznění stroje. Tyto dílčí kroky při klasickém přístupu probíhají sekvenčně, tj. navazují na předchozí úspěšně zvládnutý krok.

Díky digitálnímu dvojčeti je ale možné jednotlivé kroky výrobního cyklu nechat běžet paralelně. Díky tomu dochází ke zkrácení celého cyklu uvedení nové stroje na trh. V průměru přibližně o 30 %.

Další výhodou je možnost ověření jak mechanické, tak i řídicí funkcionality na digitálním dvojčeti. Každá kolize mezi nástrojem a obrobkem či vlastním strojem se pak odehraje plně ve virtuálním prostředí, ještě před vytvořením mechanické kopie stroje. Díky tomu se jednak opět ušetří čas na odstranění případných chyb v konstrukci stroje či programu PLC, a hlavně náklady spojené s odstraňováním případné kolize uvnitř reálného stroje.

Takové náklady v případě zakázkových a obřích strojů, zejména pokud jsou nainstalovány u uživatele v dalekém zahraničím, mohou být pro výrobce fatální.

Dalším zajímavým aspektem je školení budoucí obsluhy stroje ještě předtím, než je stroj fyzicky dodán do konečné destinace. Takové školení je možné provést přímo na digitálním dvojčeti, a to virtuálně vzdáleně skrz online komunikační nástroje, a to hlavně mnohem dříve, než stroj fyzicky stojí někde v dalekém zahraničí. Zde máme další úsporu nákladů a času.

Jak je do tohoto řetězce možné zapojit akademickou sféru?

Česká republika má to štěstí, že může dlouhodobě těžit z široké základny kvalitních technických univerzit, které ve svém oboru patří na světovou špičku. Univerzity se často přímo podílí na vývoji nových strojů a řešení. V oblasti digitalizace tomu není jinak, kdy univerzity začaly digitalizovat proces návrhu obráběcího stroje, jeho optimalizaci i ověření výroby formou simulace obrábění ještě dávno před samotnými výrobci. Mnohdy jsou právě univerzity inspirací pro mnohé české výrobce a určují směr budoucího vývoje.

Můžete uvést nějaký příklad aplikace digitálního dvojčete?

Čeští výrobci obráběcích strojů ve většině jsou na rozdíl od svých okolních zahraničních konkurentů zaměřeni na kusovou výrobu složitých a velmi komplexních strojů. Ve značné míře se jedná o prototypová řešení, která jsou světově unikátní. A ve většině případů se jedná o obrovské a z pohledu vývoje velmi nákladné stroje.

Každá teoretická chyba při konstrukci stroje se potom velmi prodraží při prvním fyzickém zprovozněním stroje na druhé straně polokoule, pokud tento koncept stroje nebyl dříve ověřen na digitálním dvojčeti.

Digitální dvojče pak může sloužit jako etalon ideálních hodnot celého procesu obrábění. Každá odchylka od tohoto ideálního stavu je varováním, které může sloužit pro zásah prediktivní údržby.

Jak pro výrobce strojů, tak i pro jejich uživatele se díky využití digitálního dvojčete otevírají zcela nové byznys modely. Kromě již zmíněné prediktivní údržby a zásahu na stroji ještě před vznikem poruchy, jsou to zejména zcela nové obchodní možnosti.

Výrobce pak nemusí stroj prodat, ale pronajmout koncovému uživateli, protože díky digitálnímu dvojčeti má neustálý přehled o stavu stroje oproti normálu. Díky tomu může výrobce uplatnit tzv. model „pay-per-performance“. Jedná se vlastně o obdobu operativního leasingu, kdy výrobce uživateli za pravidelný měsíční poplatek garantuje konkrétní vyrobené množství obrobků za určitý čas a v požadované kvalitě.

Budete se divit, už i ale u nás v Čechách jsou první výrobci obráběcích strojů, kteří se vydávají toto cestou.

Co v této oblasti společnost Siemens nabízí?

Dnešní vlajkovou lodí, jak pro výrobce, tak i pro uživatele, je nesporně řídicí systém SINUMERIK ONE. Jedná se o na trhu zcela první CNC sytém, který má digitální dvojče stroje i výroby zcela implantováno v NC jádře. Jak my říkáme, jedná se o „ First Digital Native CNC System“ na trhu.

Příkladem je například italský výrobce portálových obráběcích center, firma Breton.
Breton díky nasazení řídicího systému SINUMERIK ONE a digitálnímu dvojčeti stroje a výroby zvýšil kvalitu obráběného povrchu o 50 % při zkrácení obráběcího času rovněž o 50 %. A samotné oživení stroje se díky digitálnímu dvojčeti zkrátilo z původních dvou týdnů na pouhé tři dny.

Můžete uvést nějakou konkrétní referenci v České republice?

Náš závod Siemens na výrobu elektromotorů v Mohelnici vypsal výběrové řízení na dodavatele soustruhů pro obrábění ložiskových štítů. Podmínkou bylo, aby dodavatel použil digitální dvojče na systému SINUMERIK ONE.

Závod v Mohelnici má totiž implementovánu takzvanou bezpapírovou výrobu, kdy od samotného návrhu obráběných dílců, přes jejich přípravu do výroby i výrobu vlastní celý proces probíhá pouze v digitální podobě.

Ze všech poptávaných výrobců strojů v mezinárodní konkurenci dokázala nejlépe obstát česká firma CZ.TECH z Čelákovic. Pro CZ.TECH to byla úplně první zkušenost s řídicím systémem SINUMERIK ONE, ale poradili si s touto výzvou skvěle. Pro naše závody v Mohelnici a Frenštátě firma CZ.TECH dodala celkem již šest soustruhů se systémem SINUMERIK ONE a výhody plynoucí z implementace digitálního dvojčete jsou tak markantní, že CZ.TECH nasazuje SINUMERIK ONE i mimo koncern Siemens.

Jak na tyto digitální trendy reaguje český trh?

Zatím mnohem pomaleji, než by mu slušelo. Výroba obráběcích strojů má v České republice dlouholetou tradici. V našich podmínkách ale sebou právě ona tradice přináší konzervativní úhel pohledu. Dokážeme po mechanické stránce vyrobit velmi přesné a unikátní stroje. Bohužel pokulháváme jak v oblasti řízení samotného stroje, tak i v oblasti nákladovosti jeho výroby. A tady je právě prostor pro implementaci digitalizačních postupů od návrhu stroje, přes jeho optimalizaci, zprovoznění a spuštění výroby (tj. obrábění)

Celosvětová pandemie a s ní spojené restrikce v oblasti pohybu osob nám ukázaly, jak moc se do budoucna změní prodej a s ním spojené osobní setkávání. Pokud máte digitální dvojče vašeho stroje a zákazníkova obrobku, můžete na digitálním dvojčeti prokázat, nakolik stroj bude vyhovovat koncovému uživateli, tedy investorovi. A to všechno bez toho, aniž byste museli sednout do letadla a cestovat na druhý konec světa.

A v tom je opět skrytá obrovská úspora času a nákladů.

Jak je připravena akademická sféra?

Paradoxně mnohem lépe než čeští výrobci strojů. Zde není třeba vynaložit žádné další úsilí.

Co byste chtěl vzkázat českým výrobcům strojů?

Aby se soustředili na přidanou hodnotu, našli svou unikátní pozici na trhu a přestali soupeřit pouze cenou s asijskou konkurencí. Cenový boj stejně nikdy nemohou vyhrát.

Cesta k tomu vede přes sebevědomou cenovou politiku a poměřování se s těmi nejlepšími z nejlepších ze západoevropských výrobců. Tady je jejich pozice, ne na východě.

Často vidím situace, kdy český výrobce vyvine a vyrobí technicky unikátní stroj, bojí se ale si za něj říct o rozumné peníze. A přitom aby zaplatil šikovné konstruktéry a programátory musí dosahovat odpovídajících zisků. V tom je začarovaný kruh myšlení některých českých manažerů.

Proto bych českým výrobcům strojů poradil, aby své stroje okamžitě zdražili a vyměnili své obchodní zástupce.

Autor: Ing. Tomáš Duba, ředitel Motion Control, Siemens s.r.o.

digital.insutries.cz@siemens.com