製造におけるインダストリー 4.0:自動化の力の拡大

1784 年、最初の産業革命は、水と蒸気を動力源とする機械で始まりました。第 2 の革命は 1870 年に起こり、鉄鋼と電気の大量生産が行われました。世界はこの時期に飛行機の発明も目撃しました。 1960 年、第 3 次産業革命により、高度な電子機器、コンピューター、自動化が導入されました。この革命は、主に産業プロセスにおけるデジタル革命に焦点を当てていました。今日、私たちは現実世界と仮想世界の同期に焦点を当てたサイバーフィジカル システムに生きています。これは第 4 の革命、またはインダストリー 4.0 と呼ばれ、2015 年に世界経済フォーラムのエグゼクティブ チェアマンであるクラウス シュワブ氏によって公式に造られた用語です。

インダストリー 4.0 は、インテリジェント プラットフォームを使用した機械とプロセスのネットワーク化によって強化されたスマート ファクトリを作成するための新しい産業革命です。インダストリー 4.0 製造革命には、データ分析、モノのインターネット (IoT)、高度なロボティクス、拡張現実、アディティブ マニュファクチャリング、仮想工場ソフトウェア、デジタル トレーサビリティなど、さまざまな要素があります。

この記事では、Industry 4.0 の製造について、優れているプロセスと技術、およびまだ改善が必要なものを含めて詳しく見ていきます。

インダストリー 4.0 製造の主要な技術要素

以下では、今日のインダストリー 4.0 製造プロセスを構成する主要な技術要素のいくつかを詳しく説明し、それらの利点と制限を見ていきます。

アディティブ マニュファクチャリング

3D プリンティングとも呼ばれるアディティブ マニュファクチャリング (AM) は、3D CAD モデルを使用して、従来のサブトラクティブ技術とは異なり、材料を追加することでレイヤーごとに部品を製造します。今日、AM 技術は、自動車、製造、航空、医療など、多くの業界の高度な設計ニーズを満たしています。

過去 20 年間、AM 技術はさまざまな段階を経て進化してきました。光造形法は、1986 年に AM の下で開発された最初の特許取得済みのラピッド プロトタイピング技術でした。その後、次のような継承が行われました:

• 3DP (三次元印刷) – 1993年
• 溶融堆積モデリング – 1992年
• 選択的レーザー焼結 – 1989年
• 積層造形物製造 – 1988年
• レーザー加工によるネット成形 – 2000年

利点

従来のサブトラクティブ プロセスとは異なり、AM テクノロジは機能的なプロトタイプを短期間で設計するのに役立ちます。この技術は部品に必要な原材料を利用し、残りの材料を再利用するオプションを提供するため、材料の無駄が大幅に削減されます。部品は 1 つのプロセスを使用して製造され、セットアップはほとんど必要ないため、複数の製造および組み立てステップにかかる時間と費用を節約できます。

制限事項

アディティブ マニュファクチャリングはまだベータ段階です。速度が遅いなどの機能上の制限があり、大量生産には適していません。アディティブ マニュファクチャリングで作成されたプロトタイプは、多くの場合、ポストプロダクションの仕上げも必要です。さらに、アディティブ マニュファクチャリングでは液体粉末と金属ポリマーを使用するため、材料は大型部品を製造するのに十分な強度がありません。

仮想工場

今日のスマート ファクトリは、サイバー フィジカル システムを採用し、情報技術の力を大いに活用しています。スマート ファクトリでは、このシステムにより、機械やその他の製造リソースが、人間の干渉をほとんどまたはまったく受けることなく、コミュニケーション、コラボレーション、およびチームとしての作業が容易になります。ただし、これらの製造システムのインストールには費用がかかり、テストするのは危険です。この点で、仮想工場フレームワークは必要な意思決定支援を提供します。

利点

仮想工場 (VF) フレームワークは、需要が変動し動的な工場条件の下でスマート 工場のパフォーマンスを評価するための高度な 3D シミュレーション ソフトウェア環境です。装置単体でも工場全体でもご利用いただけます。 VF テクノロジーは、履歴データがない場合に新しい製造システムのプロセス変動を予測するのに非常に役立ちます。

制限事項

シミュレーション プログラムが信頼できる結果を返すためには、施設の特定の条件の正確な概要が与えられなければなりません。これらは労力のかかるカスタマイズであり、対象分野の専門家が必要です。シミュレーションは継続的なリアルタイムのデータ入力に基づいて実行されるため、製造システム、機械、またはロボット内のパラメーターの変更が結果の精度に影響を与える可能性があります。

産業用ロボット

インダストリー 4.0 の製造プロセスは、人工知能やビッグデータ分析などのテクノロジーを利用して、産業用ロボットに依存して生産速度を上げ、プロセス コストを削減しています。

利点

従来の先祖とは異なり、インダストリー 4.0 製造革命のロボットは、自己認識、自己保守、および自己予測能力を持つように設計されています。高度な感覚システムを備えたこれらの新世代のロボットは、他のロボットや人間の労働者と相互作用して、製造品質を向上させます。高度なセンサー技術を使用して、部品の自動検出、材料の正確なピックアップ、アイテムの安全な取り扱いなど、さまざまな手動タスクの認識を強化します。

制限事項

高感度でエネルギーに優しいロボットのオンボーディングは困難です。さらに、インダストリアル 4.0 フェーズのロボットは、組み立てラインや配送センターでの複雑な作業を行う経験豊富な労働者に取って代わるように、まだ十分に開発されていません。

インダストリー 4.0 と金属加工施設

金属加工業界は、運用コストの削減、材料の無駄の削減、短納期、改訂の可能性が低いという点で、インダストリー 4.0 革命から大きな恩恵を受けることができます。メーカーは、製造プロセスの各段階で利益を得ることができます。

スマート CNC マシンは、履歴データを使用して予測モデルを構築し、潜在的な障害点を防ぐことができます。 IoT センサーとスマート メーターを組み合わせた効果により、大型マシンはアイドル時間中のエネルギーの流れを効果的に管理できます。マシンからのリアルタイムのプロセス フィードバックは、オペレーターがアルファ段階で潜在的なエラーを排除するための理想的な選択肢です。

自動化によって生産速度が向上し、人為的エラーが減少しますが、特定の要素はまだ手の届かないところにあります。そのような要素の 1 つは、プロジェクトに適した資材の​​調達です。ワークピースの品質が低い場合、自動化されたスマート CNC マシンは役に立ちません。

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