Program GOSTOP – Gradniki, orodja in sistemi za tovarne prihodnosti, ki ga koordinira Institut »Jožef Stefan«, je trenutno največji program v Sloveniji in je podprt s strani Republike Slovenije, Ministrstva za izobraževanje, znanost in šport, Evropske unije, Evropskega sklada za regionalni razvoj in slovenske industrije.
Nahaja se v osrednji fazi, ko zastavljeni osnutki in koncepti v skladu s programom prehajajo iz raziskovalne v eksperimentalno fazo. V triinpolletnem programu združujemo raziskovalne skupine iz trinajstih podjetij in šestih raziskovalnih organizacij, ki imajo kompatibilne raziskovalno-razvojne programe na področju pametnih tovarn. Upoštevajoč slovensko strategijo pametne specializacije, ki jo je pripravila SVRK, kot tudi strategijo razvoja koncepta pametnih tovarn, ki se uveljavlja v EU in jo promovira na primer evropsko združenje EFFRA, izvajamo dela na področjih, na katerih Slovenija lahko doseže pomembne preboje v bližnji prihodnosti: tehnologije vodenja, orodjarstvo, robotika in fotonika. S tem v programu GOSTOP tudi združujemo del horizontalnih mrež (omogočitvenih tehnologij) iz strategije pametne specializacije Slovenije na področju pametnih tovarn in vključujemo vertikalne verige vrednosti, da pridemo do novih produktov, storitev in tehnologij, s katerimi bo slovenska industrija izboljšala svojo konkurenčnost. V posameznih prispevkih bomo prikazali nekatere izvlečke iz dela aktivnosti znotraj posameznih stebrov programa, katerih uspešna izvedba bo prispevala k dvigu dodane vrednosti in k povečanju izvoza. Posamezni stebri se vsebinsko medsebojno prepletajo. Zato je smiselno program gledati kot celoto. Kljub vsemu bomo zaradi obširnosti celoto razdelili na dva prispevka, v katerih bomo predstavili posamezne stebre. V tem drugem delu bomo predstavili stebra orodjarstvo in fotonika.
Uvod
Program GOSTOP – Gradniki, orodja in sistemi za tovarne prihodnosti je zbral slovenska raziskovalna in inovacijska znanja ter izkušnje iz industrijske in akademske sfere z namenom, da uvrsti Slovenijo med ugledne evropske ponudnike izdelkov, tehnologij in storitev za tovarne prihodnosti. Kritično maso znanj in kapacitete smo izoblikovali predvsem na tistih tehnoloških področjih, ki imajo v Sloveniji komparativne prednosti in imajo realne možnosti za večjo uveljavitev slovenskega znanja tudi v svetu. V programu sodeluje devetnajst partnerjev. Pet javnoraziskovalnih organizacij (Institut »Jožef Stefan«, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za računalništvo in informatiko in Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko) ter razvojni center (Razvojni center orodjarstva Slovenije TECOS). S strani industrije so vključena tako velika kot tudi srednja in mala podjetja (Kolektor Group d.o.o., INEA d.o.o., METRONIK d.o.o., HIDRIA ROTOMATIKA d.o.o., YASKAWA Slovenija d.o.o., PODKRIŽNIK d.o.o., NELA razvojni center d.o.o., COSYLAB d.d., L-TEK d.o.o., ŠPICA INTERNATIONAL d.o.o., OPTOTEK d.o.o., LPKF d.o.o. in FOTONA d.o.o.). Program GOSTOP je vreden skupno 9,4 mio EUR, od tega je 5,95 mio EUR sofinanciranja. Sestavljajo ga štirje stebri: tehnologije vodenja, robotika, orodjarstvo in fotonika. V tem prispevku bomo predstavili nekatere aktivnosti stebrov orodjarstvo in fotonika.
Kot zaokrožitev sklopa dveh prispevkov naj omenimo še dodatne vidike programa GOSTOP. Zavedamo se, da je poleg vsebinskega pomemben tudi personalni pogled. V programu so se v začetnem obdobju na večini predlaganih tematik oblikovale povsem nove vsebine, ki so botrovale formiranju novih skupin tako v industrijskem kot tudi akademskem okolju. To je odlična priložnost, da se pritegne nove, perspektivne mlade strokovne kadre. Zato smo začetni fazi posvetili še posebno pozornost, saj je sedanje nemoteno delo plod dobro zastavljene zasnove, ki pa ni bila enostavna in je terjala precej truda vseh vpletenih partnerjev.
V okviru programa GOSTOP so bile opravljene številne prezentacije in nastopi na strokovnih ali sejemskih dogodkih, objavljeni izsledki v obliki domačih in mednarodnih člankov in referatov, prijavljene izboljšave in patenti, prijavljeni so bili novi projekti itd. Beležimo tudi, da se ustvarjajo nove zamisli v obliki novih raziskovalnih in poslovnih povezav tako v domačem kot tudi v mednarodnem okolju, kar nas še posebej veseli. V sklopu dveh ločenih prispevkov so od številnih aktivnosti prikazane samo nekatere, ki so opisane po posameznih stebrih programa GOSTOP. Naložbo sofinancira Republika Slovenija in Evropska unija iz Evropskega sklada za regionalni razvoj.
Orodjarstvo
V okviru stebra orodjarstvo smo partnerji izvedli različne raziskovalne in eksperimentalne aktivnosti. Te so potekale po načrtu in seznamu senzorike, ki je prilagojena za vgradnjo v pametna orodja z načinom priklopa in načinom vpisa korekcijskih faktorjev ter vgradnji industrijske senzorike v prototipna orodja za tlačni liv in brizganje plastike. Za navedene aktivnosti smo izvedli preliminarna testiranja v laboratorijskem okolju. Med drugim smo izvedli analizo potencialnih možnosti vgradnje senzorike za meritev pretoka in temperature v napravi za gretje orodja. Partnerji so se osredotočili na testiranja temperatur in tlakov v orodju za tlačni liv, pri čemer so prvi preizkusi prikazali ustreznost merilnih elementov in merilne opreme za analizo temperatur in tlakov v livarskem orodju. Podobne meritve so bile opravljene še na orodju za brizganje plastike.
V nadaljevanju so potekale aktivnosti na raziskavah vpenjalnih naprav za robustno vpenjanje orodij kot tudi pripadajočih izdelkov, na katerih se bodo izvajale dimenzijske kontrole kosov iz proizvodnje.
Na področju brizgalnih strojev smo se partnerji osredotočili na zajem proizvodnih podatkov, pregled industrijskih standardov za izmenjavo podatkov ter testiranje različnih signalov (robot, orodje itd.) s pomočjo razvitega integriranega vmesnika.
Prav tako smo izvedli modifikacijo elektronskih vezij za bolj natančen zajem temperatur v proizvodnem okolju in testiranje grafičnega uporabniškega vmesnika za prikaz stanja stroja. Definirane so bile podatkovne strukture za industrijski krmilnik za zajem in pripravo podatkov iz brizgalnega stroja v realnem času za potrebe vizualizacije proizvodnega procesa ob upoštevanju smernic standarda OPC UA.
Predhodno smo izvedli primerjavo tehničnih lastnosti OPC UA komunikacije s predvidenimi tehničnimi zahtevami realnočasovnega prenosa podatkov v IoT oblak iz pametnih strojev in linij, opravili primerjalno analizo MQTT in OPC UA komunikacije z upoštevanjem tehničnih zahtev za prenos in pripravo testnega okolja za prenos podatkov IIoT senzorjev v IoT oblak z uporabo MQTT in OPC UA komunikacije.
Izvedli smo analizo sodobnih konceptov IoT/IIoT za standardizirani vmesnik za prenos podatkov iz oblaka v MES/MOS sistem za upravljanje proizvodnje skladno s smernicami Industrije 4.0. Primer zajetih signalov iz dejanske proizvodnje je prikazan na slikah 1 in 2.
V nadaljevanju smo testirali posamezne funkcionalnosti inteligentnega managementa orodij, dodatno pregledali različne koncepte in standard ter določili nove funkcionalnosti za inteligentni management orodij.
Na področju tlačnega liva smo izvedli sistematične karakterizacije prevlek z različnimi tehnikami. Opravljene so bile simulacije livnih pogojev s spremenjenim dolivnim sistemom na orodju, preliminarne tlačne meritve na orodju za tlačno litje, ovrednotenje nanešene prevleke ter izvedene dodelave konstrukcije orodja za tlačni liv.
Zadnje in najpomembnejše aktivnosti v stebru orodjarstvo so potekale na vzpostavitvi pilotne proizvodne linije s pametno platformo, kjer smo zasnovali primerno konstrukcijo pilotne proizvodne linije, kreirali digitalni dvojček v virtualnem okolju, zagotovili digitalno sledenje produktov in posameznih proizvodnih faz. V nadaljevanju bo sledila še vzpostavitev prediktivnega vzdrževanja orodij z upravljanjem procesa naročanja in/ali skladiščnega poslovanja.
Fotonika
Vzpostavljanje okolja medsebojno dopolnjujočih se aktivnih elementov fotonika prenaša na nivo sistema, ki ga spreminja na daljavo s pomočjo svetlobe oz. paketov energije. Pri tem je sistem lahko elektronsko vezje ali bolnikovo telo, v vsakem primeru obsežna 3D struktura, ki se na kompleksen način odziva na vnos energije. Nadzor nad spreminjanjem mora potekati nedestruktivno in brezkontaktno, torej na daljavo in v realnem času. Cilj je torej vzpostaviti visoko prilagodljive laserske sisteme, ki omogočajo krmiljenje v realnem času, in to tako za industrijske obdelovalne sisteme kot za terapevtske sisteme. Na ta način se lahko vnos energije natančno nadzoruje, kar poveča stopnjo učinkovitosti, natančnosti in varnosti.
Na prvi pogled se zdi, da ima industrijsko procesiranje materialov povsem drugačne zahteve kot procesiranje tkiv med terapevtskimi postopki v medicini. A izkaže se, da obe vrsti sistemov potrebujeta laserske izvore s podobnimi lastnostmi in s tem s sorodnimi shemami krmiljenja in nadzora. Tudi detekcijski sistemi, ki analizirajo oz. diagnosticirajo sistem, so podobni, saj uporabljajo enake koncepte preiskovanja, s katerimi brezkontaktno analizirajo lastnosti sistema, ki ga spreminjajo. Celo senzorska elektronika in krmilna logika izkoriščata podobne, sodobne digitalne pristope vključno s sistemi strojnega učenja in umetne inteligence. Zato ne preseneča, da so razvojne aktivnosti obeh, sicer različnih, gospodarskih panog vendarle povezane.
Tudi v programu GOSTOP zato razvojne aktivnosti stebra fotonika, npr. razvoj laserskih virov in metod karakterizacije snovi, ki se izvajajo v skupinah na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani ter na Institutu »Jožef Stefan«, podpirajo tako industrijo procesiranja materialov in elektronskih sistemov, kjer je predstavnik podjetje LPKF, kot sodobne terapevtske postopke, ki jih z razvojem naprednih laserskih sistemov omogočata podjetji Fotona in Optotek. Tudi razvoj diagnostičnih sistemov in algoritmov podpira obe panogi, zato so programi, kakršen je GOSTOP, za fotonsko industrijo še posebej pomembni. Nenazadnje poglabljajo povezave med raziskovalnimi skupinami na univerzah in institutih ter razvojnimi skupinami v podjetjih, prepletanje med posameznimi omogočitvenimi tehnologijami, kar na dolgi rok vodi v povečevanje dodane vrednosti in konkurenčnosti.
Ker je obdelava materialov ali terapija organov najbolj odvisna prav od lastnosti svetlobnih sunkov in snopov, je logično, da se ves razvoj začne pri izvorih. V okviru teh aktivnosti so se raziskovalci in razvojniki spoprijeli z izzivom razvoja novih nano- in subnanosekundnih pulznih izvorov s popolnoma prilagodljivimi zaporedji svetlobnih pulzov (vlakenski in hibridni izvori) ali s pulzi velikih energij (trdninski izvori) kot tudi novih laserskih izvorov z dobro definirano vdorno globino za natančno kontrolirano ablacijo organske snovi (del ILOOP tehnologije). Razvoju izvorov so seveda sledile aktivnosti razvoja aplikacij in spremljajoče podporne opreme (elektronike, programske opreme, protokolov, prenosnih sistemov ipd.).
Kontrola nad obdelavo je seveda močno odvisna od kontrolno-nadzornih sistemov, ki informacije o snovi ali tkivu, ki ga spreminjamo s svetlobo, pridobivajo iz naprednih diagnostičnih sistemov. Pri tem ne gre zgolj za mrežo senzorjev, temveč sklopljene slikovne in spektralne analize, ki se v realnem času uporabljajo za nadzor laserskih sistemov. Tako se je konzorcij usmeril v razvoj sistemov za merjenje temperaturnih polj vključno z algoritmi za obdelavo termografskih in barvnih meritev, avtomatskim fokusiranjem, nadzorom moči in doz ter diagnostiko defektov v snovi oz. tkivih. Za razumevanje spremljajočih se pojavov so morale raziskovalne skupine izvesti tudi raziskave na nižjih tehnoloških ravneh, npr. modelirati pričakovane učinke in temperaturne odzive ter analizirati odzive tkiv ter anorganskih snovi na različne laserske sunke, še posebej tiste pri visokih energijah in izjemno velikih hitrostih laserskega procesiranja (tehnologije LTP).
Z boljšim razumevanjem se potem skupine lotijo izdelave demonstratorjev novih tehnologij. Med njimi trenutno prednjačijo aktivnosti pri razvoju ILOOP tehnologij za inteligentno terapijo nehomogenih organskih površin (izvori, sistemi, napajanje, elektronika, krmiljenje, uporabniški vmesnik), LTP tehnologij za lasersko transferno tiskanje in hitro prototipiranje (izvori, skenerji, protokoli, sinhronizacija ipd.) ter tehnologije SafetyInside za povečanje varnosti laserskih terapij in izboljšano diagnostiko v oftalmologiji (izvori in tehnike avtomatskega fokusiranja, diagnostika na osnovi mikrospektralne analize). Predstavljenih je bilo več demonstratorjev različnih faz omenjenih tehnologij, nekatere so trenutno že v fazah prototipov ali celo kliničnih testiranj. Med testiranji in prvo uporabo demonstratorjev so se prav zaradi novih povezav med partnerji porodile tudi nove aplikacije npr. novorazvitih izvorov. Na podlagi teh aktivnosti so trenutno zagnane nove aktivnosti na področju uporabe laserskih izvorov za različne namene v isti napravi (npr. za diagnostiko in terapevtiko).
Sklep
Program GOSTOP obravnava problematiko pametnih tovarn, v Evropi znano tudi kot koncept tovarn prihodnosti oziroma Industrija 4.0. Področje je uvrščeno med prioritetna področja slovenske strategije pametne specializacije S4. Program GOSTOP se trenutno nahaja na polovici, izvajajo se osrednje faze posameznih aktivnosti. V programu GOSTOP sodeluje 19 partnerjev iz trinajstih slovenskih podjetij in šestih raziskovalnih organizacij s kompatibilnimi raziskovalno-razvojnimi programi na področju tovarn prihodnosti.
V tem prispevku je predstavljen izsek do sedaj opravljenega dela z vmesnimi rezultati programa GOSTOP v stebrih orodjarstvo in fotonika in prispevek predstavlja nadaljevanje prejšnjega prispevka, kjer smo predstavili tehnologije vodenja in robotiko. Za steber orodjarstvo je značilno, da so podjetja spoznala pomembno vlogo orodjarstva v tovarnah prihodnosti. Pri tem naj še posebej omenimo pametno orodje, ki se s prepletom ostalih omogočitvenih tehnologij znotraj programa GOSTOP, kot tudi zunaj njega, uspešno uveljavlja in po nadaljnjih komercialnih poteh uvaja v industrijsko prakso. Vse aktivnosti so bile opravljene tudi na stebru fotonika.
Za celoten program lahko izpostavimo, da ob programu GOSTOP, kar še posebej velja za industrijo, vzporedno nastajajo številne nove sodelujoče raziskovalne skupine. S tem se ustvarjajo dodatna vlaganja in omogoča dodaten prenos znanj in dosežkov programa tako na raziskovalno področje kot tudi na področje industrijske komercializacije. Za vrhunski izdelek ali storitev pa potrebujemo tudi vrhunske raziskovalne kompetence, kapacitete in znatna vlaganja, ki jih je za programe, kot je GOSTOP (TRL 3 do 6), nujno treba podpirati s strani države, s poudarkom na kontinuiteti.
Na delovnih srečanjih konzorcija vedno znova poudarjamo pomen tovrstnega programa za slovensko industrijo in za Slovenijo nasploh. Aktivnosti programa, ki so prvenstveno namenjene industrijskim raziskavam, so zasnovane povsem na novo in obetajo dobro podlago za nadaljevanje v okviru eksperimentalnega razvoja, ki s časom vodi v povsem nov produkt ali storitev. Temu bi kot logično nadaljevanje programa GOSTOP morale slediti aktivnosti v obliki projektov komercializacije. Zato program budno spremlja in podpira tudi Strateško razvojno-inovacijsko partnerstvo, SRIP Tovarne prihodnosti. Skupaj z industrijskimi in raziskovalnimi partnerji izražamo pričakovanje in apeliramo na slovensko vlado, Službo vlade Republike Slovenije za razvoj in evropsko kohezijsko politiko (SVRK) in Ministrstvo za izobraževanje, znanost in šport (MIZŠ), da tudi v prihodnje nadaljuje s podobnim programom (TRL 3 do 6) ter nameni še znatnejša sredstva za kontinuiteto, prepletanje in razširitev dela tako na tem kot tudi na novih programih S4, še posebno na področju tovarn prihodnosti.
Ključne besede: tovarne prihodnosti, pametne tovarne, tehnologije vodenja, robotika, orodjarstvo, fotonika
Institut »Jožef Stefan«
Jamova cesta 39
1000 Ljubljana
Slovenija
https://ijs.si/ijsw
