Industrie 4.0 – model pro výrobce elektroniky ve střední a východní Evropě (nebo po celém světě)?

 

Kdykoliv hovoříte s podnikateli v Evropě, a především v Německu, narazíte na jeden pojem, na který vždy přijde řeč: Industrie 4.0 (nebo také čtvrtá průmyslová revoluce). Koncept Industrie 4.0 je nejžhavějším tématem posledních měsíců – ať již v médiích, na veletrzích nebo v obecných debatách o ekonomice. Co tento pojem vlastně představuje? A mohl by mít smysl také pro výrobce elektroniky v České republice a na Slovensku?

 

K pochopení popularity a významu konceptu Industrie 4.0 v Evropě je třeba vzít nejprve v potaz hospodářské a technické změny, které nastaly během posledních několika let. Dosud po mnoho desítek let platilo pravidlo, že čím větší byl podnik, tím efektivněji byl organizován, a čím standardizovanější produkty nabízel, tím efektivněji mohly být tyto produkty vyráběny. Aby se podnik mohl dostat před své konkurenty, bylo nutné zeštíhlovat, standardizovat a automatizovat procesy v něm probíhající. Tomuto období masové produkce dominovaly velké podniky optimalizované pro určité typy produktů.

 

Uvedený obchodní model se na posledním přelomu století radikálně změnil. Jak se zkracují inovační cykly, jsou vyvíjeny nové produkty, které jsou uváděny na trh ve stále kratších intervalech. Zároveň chtějí mít firmy i koneční spotřebitelé stále větší výběr zboží. Ať již jde o spotřební zboží, nebo produkty investičního charakteru – počet verzí produktů rapidně roste. Položky, které bývaly standardizovanými produkty (např. mobilní telefony), se v současnosti běžně stávají individualizovanými a flexibilními výrobky. V důsledku toho se zmenšují objemy výrobních šarží, nové výrobky jsou uváděny na trh stále rychleji a roste počet nabízených variant. A navíc k tomu všemu se stává, že průmyslové podniky v dobách nejistých trhů a fluktuující poptávky upouštějí od uvádění novinek. Proto musí finální výrobci objednávat zcela přesná množství zboží s dodávkami ve zcela přesných časech, a to pokud možno přímo do prostředí výroby. A aby věci byly

ještě složitější, dostávají výrobci takové objednávky doslova v poslední minutě. Tento vývoj lze ve stále větší míře pozorovat ve všech hlavních oborech, ať jde o IT, průmyslovou elektroniku, výrobu automobilů, strojírenství, telekomunikace, letecký průmysl či spotřební zboží.

 

Shora popsané změny rychle posouvají model masové produkce k jeho nejzazším mezím, neboť ještě dříve, než se podaří optimalizovat produkci určitého výrobků, je už zájem o novou verzi. A namísto schopnosti produkovat na specializovaných linkách po celé týdny v obrovských počtech jeden a tentýž výrobek, musí být výrobci schopni rychlých úprav výrobků podle požadavků zákazníků. Tím se klasická velkovýroba stává neudržitelnou. Zaváděcí náklady rostou, zatímco efektivita a kvalita klesají. A zákazníci si stěžují, protože jejich požadavky nejsou vyřizovány s takovou rychlostí a pružností, jakou by si představovali.

 

A to je právě chvíle, kdy přichází ke slovu koncept Industrie 4.0. Budoucími vítězi se stanou nanejvýš flexibilní výrobní provozovny, které budou schopny vyrábět i malé šarže výrobků, u nichž dochází k častým změnám, a to v mnoha různých verzích a s krátkými dodacími lhůtami. Klíčovými slovy pro Industrie 4.0 jsou proto masová customizace, šarže o velikosti jednoho výrobku, velmi rozmanitá výroba a koncept tzv. smart factory (chytré továrny). Jak ale lze toho všeho dosáhnout?

Klasické výrobní linky vyžívající techniku montáže součástek přímo na povrch plošného spoje (Surface Mount Technology – SMT; linky SMT) jsou vysoce automatizované. Moderní stroje dokážou osadit blízko sebe s ohromující přesností a téměř bez chyb i ty nejmenší součástky. Bližší pohled ale často prozrazuje, že v typické velkovýrobně jsou speciálně nakoupené a konfigurované stroje naaranžovány ve striktně uspořádaných linkách, kde den za dnem plní jeden a tentýž úkol, na který jsou za vynaložení obrovských nákladů optimalizovány. Navíc speciální stroje v těchto linkách – sítotiskové stroje, osazovací stroje, systémy kontroly a přetavovací pece – nedokážou navzájem komunikovat.

 

Protože nynější situace neodpovídá současným, a tím méně budoucím požadavkům, nejvýznamnější výrobci vybavení, mezi něž patří i společnost ASM Assembly Systems, se stále více ve svých nejnovějších inovacích a produktech zaměřují na rozličné nové oblasti, zejména na:

 

V dalším textu je k zamyšlení nabídnuto několik konkrétních příkladů, které ukazují, jak se v důsledku uvedeného mění výroba elektroniky.

 

Tradiční osazovací stroje mají několik hlav, které je pro jednotlivý typ výrobku třeba nainstalovat v určitém konkrétním pořadí. Existují osazovací hlavy (typ pick-and-place), které osazují velké součástky jednu po druhé. Oproti tomu sběrné osazovací hlavy (typ collect-and-place) sbírají ve velké rychlosti několik standardních součástek z modulů podavačů a osazují je jednu za druhou na desku plošných spojů. Tradiční stroje dokážou s velkou efektivitou vyrábět produkty ve velkém.

 

Problém s takto vysoce optimalizovanými linkami je následující: jestliže je výrobek změněn a s ním i počty a typy osazovaných součástek, hlavy je třeba vyměnit a stroj překonfigurovat, přičemž vše stojí čas a peníze. Jsou-li produkty vyráběny ve velkých šaržích s malým počtem takových změn konfigurace za týden, lze příslušné náklady zvládnout. Avšak při větší až velké variabilitě výroby se tento proces může brzy stát ekonomicky neudržitelným.

 

K podpoře takovýchto vysoce variabilních úloh proto technici firmy Siplace vyvinuli program Siplace MultiStar. Jde o první osazovací hlavu, která se podle softwarových příkazů automaticky přepíná ze sběrného osazovacího módu (collect-and-place) do osazovacího módu (pick-and-place), či dokonce do speciálního smíšeného módu. Znamená to, že stroj dokáže měnit svou konfiguraci automaticky pro každý produkt na základě informací, které mu poskytne program řídící osazování součástek. Přitom příkaz ke stažení osazovacího programu lze spustit čárovým kódem nebo transpondérem RFID umístěným na desce plošných spojů vstupující do linky. Stroj značky Siplace sám čte a interpretuje kódy, stahuje odpovídající osazovací program a nastavuje příslušným způsobem osazovací hlavu. Tato interakce mezi flexibilními hlavami, inteligentními ovladači strojů a produkty nesoucími informaci o sobě usnadňuje přechod z výroby jednoho typu produktu na jiný bez těžkopádného překonfigurovávání linek. Vyráběný produkt řídí svou výrobu sám, což znamená, že moderní linky značky Siplace již splňují jeden z hlavních požadavků konceptu Industrie 4.0.

 

Podle svých technických specifikací mohou osazovací stroje běžet bez zastávky po celý den – s výjimkou doby potřebné k vykonávání údržby a změn nastavení. V reálném provozu však stroje často stojí, většinou pro chybějící součástky k osazení, tj. pro nedostatky v logistických procedurách výrobce elektroniky, které nemají nic společného se strojem, ale zcela jistě ovlivňují jeho produktivitu.

 

V typických výrobních provozech s technikou SMT je v systémech materiálové logistiky mnoho důvodů, proč takové nedostatky vznikají. Například typický informační systém podniku (ERP) ví, že podnik má ve skladu 20 000 jednotek součástek, ale neví, že těchto 20 000 jednotek je rozděleno do deseti cívek – což je zásadní skutečnost, která ztěžuje plánování výroby za pomoci ERP. Vedle toho je většina požadavků na materiál vypočítávána teoreticky (kusovník × počet jednotek výrobků + rezerva), zatímco skutečná spotřeba materiálu na lince není nijak zaznamenávána. Jestliže se teoretická a skutečná spotřeba výrazně liší jedna od druhé, plánovací proces selhává. Mnoho provozoven rovněž postrádá transparentnost. Kde přesně se součástky nacházejí? Na příjmu, ve skladu, na cestě k lince, v oblasti přípravy materiálu, ve stroji? A pátrání po součástkách stojí čas a peníze.

 

Na základě podobných příkladů dospěli technici firmy Siplace k závěru, že klíč k pružnější a efektivnější výrobě desek s elektronikou spočívá ve zlepšení toků materiálu. Firma Siplace v současnosti nabízí rozsáhlý sortiment softwarových nástrojů, které zprůhledňují tok materiálu a významně zjednodušují plánování výroby, čímž eliminují hlavní důvody odstávky osazovacích linek a z toho vyplývající výpadky výroby a poklesy produktivity.

 

Software značky Siplace je modulární, každý zákazník si může systém řízení toku materiálů při výrobě metodou SMT, který zohledňuje zvláštnosti této techniky, jako jsou cívky, speciální skladovací systémy, mapování výrobního prostředí jako řetězce různých skladovacích míst, popř. sledování doby expozice přístrojů citlivých na vlhkost apod., zavést podle svých potřeb (obr. 1). Spotřeba materiálu poté již nebude počítána jen zhruba, ale bude zaznamenávána na základě reálných údajů, které dodává sám stroj. V kombinaci tohoto softwaru s nástroji k rozvrhování výroby a optimalizačním softwarem, jakož i velmi flexibilními nejmodernějšími koncepty nastavení lze nyní eliminovat většinu odstávek linek SMT z důvodu nedostatků v dodávkách materiálu, přičemž jsou využity všechny přednosti skenerů a tabletů (obr. 2). Tištěné seznamy a složitá, k chybám náchylná práce s nimi se díky tomu stanou minulostí.

 

V továrnách s hromadnou velkovýrobou jsou změny v nastavení osazovací linky kritickými momenty, jak o tom svědčí i veškerá hektická činnost, která okolo ní v takovém případě nastává. Mají-li být vůbec reálně možné časté změny umožňující dosáhnout flexibilní výroby podle konceptu Industrie 4.0, je třeba použít úplně nové přístupy k problému. Firma Siplace na tuto potřebu reaguje nabídkou softwaru a důsledným síťovým propojením strojů a zařízení. Provozní personál tak na základě sledování výrobního procesu v reálném čase dostává dostatečně včas zprávu o tom, že do stroje je třeba doplnit součástky.

 

Poprvé je tento přístup použit u flexibilních podavačů značky Siplace nejnovější generace, na nichž barevné světlené diody (LED) signalizují, kdy se vyprázdní podavač. Díky propojení identifikačního údaje každého podavače s identifikačním údajem součástky systém může automaticky zajistit, aby nastavení bylo bezchybné. V oblasti přípravy materiálu jsou pak zaměstnanci schopni zjistit, zda jsou podavač a jeho součástky pro bezprostřední nastavení stroje skutečně potřebné, nebo zda by v dané chvíli nebylo rozumnější součástky odstranit a vrátit je do skladu.

 

V minulosti musely být podavače instalovány do určitých slotů, které byly specifikovány nastavovacím programem. Na moderních strojích značky Siplace mohou být oproti tomu podavače instalovány kamkoliv. Stroj rozpoznává jejich pozici a podle toho upravuje osazovací program. Tím mohou být vytvořena úplně náhodná nastavení – je to tedy skutečná revoluce v odvětví dosud založeném na používání velmi provozně rigidních linek SMT.

Aby nový systém byl do budoucna opravdu užitečný, musí v něm být veškeré stroje propojeny tak, aby si mohly navzájem vyměňovat data a také reagovat na údaje o výrobě poskytované z jiných zdrojů. Výměna údajů přitom musí probíhat otevřeným (neproprietárním) způsobem. Tento druhý požadavek je z problémů existujících v odvětví výroby elektroniky nejobtížnější, obdobně jako i v jiných výrobních odvětvích. Současné linky SMT se skládají z mnoha specializovaných strojů, jako jsou tiskárny, systémy kontroly, osazovací stroje a přetavovací pece, které stojí jeden vedle druhého víceméně „potichu“, a to i přesto, že každý jednotlivý krok v celém výrobním procesu závisí na kroku předcházejícím. V současné době nejsou stanoveny žádné závazné ani de facto standardy pro hardwarová a softwarová rozhraní. A to je třeba změnit. Proto budou technici firem Siplace a DEK dále spolupracovat na vývoji automatizovaného spojení mezi dvěma základními výrobními operacemi, resp. stroji (obr. 3). Jde o cestu snazší a nákladově efektivnější, než je snaha dosáhnout dalšího vylepšení pouze úpravami v samotných osazovacích strojích. Bude-li tato standardizace rozhraní a komunikačních protokolů mezi dvěma stroji úspěšná, připojit další stroje a součástky už bude snadné. S výsledným komplexním systémem pak mohou být osazovací procesy následně přizpůsobovány podle údajů z tiskáren, systémů pro kontrolu v průběhu procesu (a naopak), což povede k dalšímu významnému nárůstu kvality produkce.

Uvedené příklady ukazují, jak rychle se nové a velmi flexibilní výrobní koncepty prosazují do praxe. Výrobci elektroniky mají prospěch z technického pokroku, do něhož patří také tzv. internet věci (Internet of Things – IoT), nové softwarové metody, výkonnější procesory a mobilní zařízení. Výrobci výrobních strojů a zařízení, kteří nabízejí jen „tupé“ stroje a neintegrují je do hlavních pracovních procesů u svých zákazníků, již nyní ztrácejí podíl na trhu. Nebo to lze říci také jinak: dodavatelé, kteří investují do softwaru a inteligentních systémů, budou svůj podíl na trhu zvětšovat a dosáhnou tak i větších tržeb. A to je cesta, kterou si vybrali nejvýznamnější výrobci osazovacích linek SMT, mezi které patří i společnost ASM (obr. 4).

 

Nyní je koncept Industrie 4.0 zejména v Německu módním pojmem. Bude však tento koncept zajímavý také pro výrobce ve střední a východní Evropě nebo jiných částech světa? Rozhodně ano! Důvod je následující: koncept Industrie 4.0 reflektuje požadavky zákazníků a trhů, jakož i příležitosti, které nabízí moderní technika. Ať už jde o automobilový průmysl, průmyslovou automatizaci, železniční či letecký průmysl – kdekoliv působí výrobci střední a východní Evropy jako subdodavatelé evropských nebo světových výrobců typu OEM či jiného, budou stále častěji konfrontováni s poptávkou po flexibilnějších výrobních konceptech. Evropské i celosvětově působící společnosti převádějí své procesy, které tak efektivně běží v jejich originálních továrnách, do výrobních provozoven v zemích střední a východní Evropy, jako je Česká republika a Slovensko. Lze tedy očekávat požadavek těchto výrobců, aby jimi používané principy a koncepty přejímali i jejich regionální subdodavatelé (obr. 5). A vzhledem k tomu, že současná výroba elektroniky je na každý pád hrou s celosvětovým dosahem, cílem pro všechny firmy na trhu, bez ohledu na jejich lokalitu, bude zavést koncepty čtvrté průmyslové revoluce tak, aby se jejich výroba stala flexibilnější a aby si udrželi svou konkurenceschopnost.

 

Obr. 1. Integrovaný inteligentní software od ASM Assembly Systems pro linky SMT odstraní zdlouhavé dohledávání a zbytečné přesuny materiálu a zajistí naprosto transparentní přehled o zásobách

Obr. 2. Ať už uživatel potřebuje rozvrhovací software, časté změny nastavení osazovacích strojů, efektivní tok materiálu s krátkými přesuny po výrobní hale nebo automatickou změnu osazovacího programu prostřednictvím čárového kódu na desce plošných spojů – firma Siplace již nyní nabízí mnoho chytrých zařízení a systémů podporujících koncept Industrie 4.0

Obr. 4. Současným náročným požadavkům na výrobu lze dostát pouze s moderním, vysoce flexibilním výrobním prostředím a za neustálé spolupráce a výměny informací
Obr. 5. Jednotlivé moduly konceptu Industrie 4.0 v oboru „chytrých“ linek SMT