Keyboard ALT + g to toggle grid overlay
Uudet tuotekehitysteknologiat auttavat 100-vuotiasta yritystä valmistautumaan tulevaisuuteen
Claudius Peters, 113-vuotias perusmateriaalien käsittelylaitteiden valmistaja, on muuntautumassa uuden aikakauden digitaaliseksi yhtiöksi. Generatiivinen suunnittelu on yrityksen muutoksentekijä, joka tarjoaa radikaalin uuden tavan lähestyä tuotesuunnittelua ja optimointia. Mukauttamalla tätä teknologiaa – joka liittyy yleensä 3D-tulostukseen – perinteiselle valmistusmenetelmälle yhtiö tuottaa kustannustehokkaampia tuotteita hintaherkälle teollisuudelle. Generatiivinen suunnittelu raskaassa valmistuksessa auttaa vähentämään materiaalien käyttöä, energiakustannuksia ja toimitusaikoja, jolloin Claudius Peters on kilpailukykyisempi näinä muuttuvina aikoina.
Vanhan koulukunnan yhtiö omaksuu muutoksen
Saksalainen valmistaja Claudius Peters on esimerkki raskaasta teollisuudesta: yhtiö valmistaa suuria teollisuuskoneita ja -laitoksia sementti-, teräs-, kipsi- ja alumiiniteollisuudelle. ”Me olemme asiantuntijoita irtotavaran käsittelyssä,” sanoo Claudius Petersin (CP) operaatiojohtaja Thomas Nagel. Hampurin lähellä sijaitsevan pääkonttorin lisäksi yhtiöllä on 12 aluetoimistoa Amerikassa, Euroopassa ja Aasiassa.
Vuonna 1906 perustettu CP on valmistanut valtavia, pääomavaltaisia teollisuustuotteita – kuljettimia, siiloja, jauhamoita – yli 100 vuotta. Merkittävään historiaan tukeutumisen sijaan digitaalipäällikkönä toimiva Nagel auttaa yhtiötä luomaan mainetta digitaalisen innovaation maailmanlaajuisena johtajana. Claudius Peters aloitti vuonna 2014 innovaatiomatkan, jonka tavoitteena on parantaa kustannuksia, laatua, toimituksen nopeutta ja asiakastyytyväisyyttä koskevia liiketoimintatuloksia. Yhtiö kuitenkin huomasi, että kilpailukykyisenä säilyminen 2000-luvulla vaatii enemmän kuin pelkästään uusia ohjelmistoja. Vuonna 2018 CP aloitti uuden muutoksen ketteräksi yhtiöksi, joka vaatisi uusia digitaalisia taitoja sekä kulttuuria, joka keskittyy suunnitteluajatteluun, kokeiluun ja iterointiin.
Innovaatiomatka alkaa
Työskentely teknologiakumppaneiden, kuten Autodeskin, kanssa on ollut avaintekijä Claudius Petersin innovaatiomatkalla. CP on ottanut käyttöön uusia työkaluja, kuten BIM 360 (englanti), yhdistääkseen myynnin, tekniikan, suunnittelun, valmistuksen ja kokoonpanon prosesseja. Yhtiö on löytänyt myös uusia tapoja tehostaa valmistusprosesseja Inventor ja äärellisten elementtien menetelmä (FEM) -analyysin avulla. Koneiden asentamiseen CP alkoi käyttää 3D-todellisuuden talteenottoa ReCap avulla sekä Navisworks asiakkaiden tiloissa tapahtuvan tiedon keräämiseen, minkä jälkeen he voivat luovuttaa tiedostot nopeasti Saksassa sijaitseville insinööri- ja suunnittelutiimeille. ”Tämä tarkoittaa sitä, että teemme työtämme nopeammin, laadukkaammin ja edullisemmin, mikä lisää asiakastyytyväisyyttä,” Nagel sanoo.
”Mutta innovointimme ei ole vain tätä,” hän lisää. Innostuneena Fusion 360 generatiivisen suunnittelun esittelystä, Nagel loi neljän tunnin työpajan CP-tiimille tämän kehittyvän teknologian opiskelua varten.
Autodeskin generatiivinen suunnitteluohjelmiston (englanti) avulla voidaan ottaa huomioon suunnittelutavoitteet ja -rajoitteet, ja etsiä niille mahdollisia ratkaisuja useista nopeasti luoduista vaihtoehdoista. Kokeiltuaan muutamia yleisiä osia tiimi päätti yrittää käyttää generatiivista suunnittelua erään CP:n sementtiteollisuuden ydintuotteen optimointiin, nimittäin klinkkerijäähdyttimen optimointiin.
Mikä on klinkkerijäähdytin?
Sementtiteollisuus on ollut Claudius Petersin tukipilari sen varhaisimmista päivistä. Sementinvalmistajat sekoittavat murskattua kiveä ja lämmittävät sen uunissa 1 450 °C:een (2 640 °F), sulauttamalla sen marmorikuulan kokoisiin klinkkereihin. Tulikuuma klinkkeri päästetään klinkkerijäähdyttimeen, joka on kooltaan 50×25 metriä (164×82 jalkaa). Ilma jäähdyttää klinkkerin noin 100 °C:seen (212 °F), kun se liikkuu jäähdyttimen läpi. Sitten klinkkeri jauhetaan ja sekoitetaan muiden ainesosien kanssa sementin muodostamiseksi.
CP alkoi toimittaa klinkkerijäähdyttimiä teollisuudelle 1950-luvun alussa, ja se tuotti yli 700 jäähdytintä seuraavien 60 vuoden aikana. Mutta klinkkerituotanto kuluttaa paljon energiaa, joten sementtiteollisuus on yksi maailman suurimmista hiilidioksidipäästöjen aiheuttajista.
2000-luvun alussa CP alkoi kehittää seuraavan sukupolven klinkkerijäähdytintä, joka on suunniteltu säästämään energiaa: ETA-jäähdytin, joka on nimetty kreikkalaisen symbolin η ("eta") mukaan, joka tarkoittaa energiatehokkuutta. ”Yksi ETA-jäähdyttimen suurimmista eduista on erinomainen lämpötehokkuus,” Nagel sanoo. ”Nämä energiansäästöt voivat auttaa vähentämään sementtituotannon kielteisiä ympäristövaikutuksia.” Nykyään CP:n pääasiallinen liiketoiminta on korvata olemassa olevat klinkkerijäähdyttimet ETA-jäähdyttimillä sementtitehtaiden tehokkuuden lisäämiseksi.
Generatiivinen suunnittelu tuottaa yllättäviä tuloksia
CP päätti käyttää generatiivista suunnittelua optimoida erään ETA-jäähdyttimen osan. Kyseessä on raskasmetalliosa, joka oli äskettäin suunniteltu uudelleen ylimääräisen materiaalin poistamiseksi perinteisillä suunnittelumenetelmillä. Jokaisessa jäähdyttimessä on 50–60 näistä osista, jotka on pultattu yhteen sarjaan kuljetinradoista, jotka siirtävät sulan klinkkerin ETA-jäähdyttimen läpi. ”Tämä valettu pala on optimoitu yhä uudelleen ja uudelleen,” sanoo CP:n suunnittelija Maximilian Lerch. ”Tavoitteena oli vähentää metallin painoa ja siihen liittyviä kustannuksia. Jopa pienellä painon optimoinnilla olisi suuri vaikutus.
”Oli todella hienoa katsella kaikkia tietokoneen näytön ympärille kokoontuneita insinöörejä, jotka seurasivat, kun generatiivisen suunnittelun katselu loi optimoidun, vahvan osan miltei tyhjästä, vain pelkistä rajoituksista,” Lerch jatkaa. ”Ohjelmisto suorittaa kaikki tarvittavat iteraatiot parhaan tuloksen aikaansaamiseksi.”
Tämän ensimmäisen, neljän tunnin generatiivisen suunnittelun istunnon jälkeen tiimi sai ensimmäisen tuloksensa: ”Me kutsumme sitä avaruusosaksi,” Nagel sanoo. ”Tulos yllätti meidät – miten se voisi olla niin erilainen kuin meidän optimoitu osa? Ja 30 % – 40 % kevyempi?"
-
Sementin valmistusprosessissa punaista kuumaa klinkkeria siirretään uunista ETA-jäähdyttimeen, joka pystyy käsittelemään jopa 13 000 tonnia klinkkeria päivässä.
-
Kuljetinkaistat siirtävät klinkkerin ETA-jäähdyttimen läpi, jossa ilma jäähdyttää sulan kiven noin 100 °C:een (212 °F).
-
Jokaisessa ETA-jäähdyttimessä on noin 60 kuljetusosaa, jotka on sijoitettu kuljettimille, jotta kuumaa klinkkeriä voidaan siirtää jäähdyttimen läpi.
-
Alkuperäinen kuljetusosa (vasen) suunniteltiin uudelleen vuonna 2016 ja se on asennettu ja testattu 14 klinkkerijäähdyttimessä.
-
Uuden osan suunnittelu (oikealla), joka perustuu generatiiviseen suunnitteluun, on yli 50 % kevyempi kuin alkuperäinen ja tarjoaa merkittäviä säästöjä materiaalikustannuksiin ja energiaan.
-
Renderöinnit osoittavat klinkkerijäähdyttimen osan kehittymisen alkuperäisestä raskaasta geometrisesta muotoilusta (ylärivi, kauimpana vasemmalta) yleisesti suunnitelluilla ja käänteistekniikalla toteutetuilla iteraatioilla.
Kuvat: Claudius Peters
Generatiivisesti suunnitellun osan sopeuttaminen perinteiseen valmistamiseen
Claudius Petersin skeptiset insinöörit suorittivat laskelmia ja FEM-analyyseja "avaruusosaan" ja hämmästyivät, että se oli tehokkaampi kuin perinteisesti optimoitu osa. Tiimi alkoi analysoida suunnittelua selvittääkseen, miten se valmistetaan. ”Generatiivinen suunnittelu käyttää tavallisesti 3D-tulostusta tai muita lisävalmistusmenetelmiä,” Nagel sanoo. ”Teollisuutemme ei käytä 3D-painettuja osia – se on liian kallista.” Mutta käyttämällä ideoita generatiivisesta suunnittelusta ja perinteisestä optimoinnista, osan käänteissuunnittelu vei meiltä vain viikon, joten voimme tehdä sen käyttämällä perinteisiä valmistustapoja.”
Inventorin ja FEM-analyysin avulla tiimi testasi erilaisia valmistusratkaisuja Claudius Petersin valimolla. ”Päätimme siirtyä valetusta osasta ratkaisuun, jossa on laserleikkauslevyt ja hitsaus,” Nagel sanoo. ”Olemme tehneet osasta 25 % kevyemmän, nopeamman valmistaa ja kustannustehokkaamman.” Tiimi jatkaa suunnitteluvaihtoehtojen tutkimista kuljetuksen osalta, löytäen lisää parannus- ja kustannussäästömahdollisuuksia. ”Tämä tullaan ottamaan käyttöön tuotannossa hyvin pian,” Nagel jatkaa. ”Odotan, että osa on toiminnassa jossakin päin maailmaa vuoden kuluessa.”
Generatiivisen suunnittelun etujen hyödyntäminen
CP:n generatiivisesti suunniteltu osa voi lopulta säästää yhtiölle huomattavan määrän rahaa jokaisesta klinkkerijäähdyttimestä, johon se asennetaan. Kun kuljetusosuuden paino pienenee noin 20 kilogrammalla (44 paunaa), yhtiö arvioi säästävänsä noin 100 euroa (113 dollaria) per osa – kerrottuna 60 tai useammalla osalla kussakin jäähdyttimessä. Lisäksi pienempi paino tarkoittaa pienempiä toimitusmaksuja. ”Ensimmäisestä kehitetystä prototyypistä uskomme, että generatiivinen suunnittelu auttaa meitä saavuttamaan parempia kustannuksia tuotteillemme ja tehostamaan meitä,” Nagel sanoo.
Generatiivinen muotoilu tarjoaa myös parempaa kestävyyttä. ”Voimme siirtyä raskaammasta osasta, joka on valettu Intiassa tai Turkissa olevassa valimossa, kevyempään osaan – hitsattuun suunnitteluun, jota voimme jopa tehdä työpajassamme täällä,” Nagel sanoo. ”Säästämme materiaalia, energiaa, kuljetusaikaa ja muita kielteisiä ympäristövaikutuksia.”
Claudius Peters on nyt siinä vaiheessa, jossa generatiivinen muotoilu on tulossa vakioprosessiksi olemassa olevien osien optimoimiseksi tai uusien suunnittelemiseksi. ”Tulemme selvittämään, mihin muihin osiin voimme soveltaa optimointeja ja materiaalivähennyksiä tulevaisuudessa,” Nagel sanoo. ”Osa kerrallaan yritämme selvittää, onko generatiivisella suunnittelulla samat myönteiset edut.”
Liittyvät tuotteet
Hakutuloksia ei voida näyttää juuri nyt. Yritä myöhemmin uudelleen.