No­vé tech­no­lo­gie pro vý­voj pro­duk­tů při­pra­vu­jí sto­le­tou fir­mu na bu­douc­nost vý­ro­by. Vý­rob­ce stro­jů na zpra­co­vá­vá­ní syp­kých ma­te­ri­á­lů se 113­le­tou his­to­rií, Clau­di­si­us Peters, pro­chá­zí pře­mě­nou na di­gi­tál­ní fir­mu 21. sto­le­tí. Ge­ne­ra­tiv­ní ná­vrh při­ná­ší do fir­my zá­sad­ní změ­nu a ra­di­kál­ně od­liš­ný pří­stup k na­vr­ho­vá­ní a op­ti­ma­li­za­ci pro­duk­tů. Ta­to tech­no­lo­gie ob­vyk­le sou­vi­sí s 3D tis­kem a fir­ma je­jím za­ve­de­ním do tra­dič­ních vý­rob­ních po­s­tu­pů do­ká­že na tr­hu, kde níz­ká ce­na hra­je dů­le­ži­tou ro­li, na­bí­zet pro­duk­ty s men­ší­mi vý­rob­ní­mi ná­kla­dy. Ge­ne­ra­tiv­ní ná­vrh v těž­ké stro­jí­ren­ské vý­ro­bě po­má­há sni­žo­vat ná­kla­dy na ma­te­ri­ál a ener­gie a zkra­co­vat do­da­cí lhů­ty, tak­že je Clau­di­us Peters v mě­ní­cích se ča­sech kon­ku­ren­ce­schop­něj­ší.

Firma ze staré školy se mění

Německá firma Claudius Peters je ukázkovým příkladem výrobce těžké techniky. Produkuje velké průmyslové stroje a technologie do závodů na zpracovávání cementu, oceli, sádry či hliníku. „Jsme specialisté na manipulaci se sypkými materiály,“ prohlašuje Thomas Nagel, provozní ředitel firmy Claudius Peters (CP). Firma sídlí v německém Hamburku a má 12 regionálních poboček v Americe, Evropě a Asii.

Byla založena v roce 1906 a už více než 100 let vyrábí velké a drahé průmyslové produkty – dopravníky, sila či drtiče. Nagel, který zde pracuje na pozici ředitele pro digitální technologie, se ale na věhlasnou historii firmy nijak neupíná a snaží se svému zaměstnavateli vybudovat reputaci globálního lídra v digitálních inovacích. Na cestu za inovacemi se firma Claudius Peters vydala v roce 2014 s cílem snížit náklady, zlepšit kvalitu, zkrátit dodací lhůty a zlepšit spokojenost zákazníků. Záhy si ale uvědomila, že k tomu, aby ve 21. století zůstala konkurenceschopná, potřebuje víc než jen nový software. V roce 2018 započala další transformaci v agilní podnik, k čemuž potřebuje nové digitální dovednosti a firemní kulturu zaměřenou na kreativní řešení problémů, experimentování a iteraci.

Cesta za inovacemi začíná

Spolupráce s technologickými partnery, jako je Autodesk, byla pro Claudius Peters na cestě za inovacemi klíčová. Firma zavedla nové nástroje včetně aplikace BIM 360, aby propojila procesy napříč prodejem, projektovou přípravou, navrhováním, výrobou a montáží. Dále pomocí aplikace Inventor a analýzy metodou konečných prvků (MKP) našla nové postupy modernizace výroby. Při instalaci svých strojů začala používat 3D snímání reality pomocí nástrojů ReCap a Navisworks, které sbírají data u zákazníka a rychle je předávají technickým a návrhářským týmům v Německu.

„Díky tomu dokážeme pracovat rychleji, kvalitněji a s nižšími náklady a naši zákazníci jsou spokojenější,“ říká Nagel. „Tím ale naše inovace neskončily,“ dodává.

Nagel pod vlivem ukázky generativního návrhu v aplikaci Fusion 360 uspořádal v CP čtyřhodinový workshop o této nové technologii.

Software Autodesku pro generativní návrh na základě návrhových cílů a omezení hledá možné varianty návrhových řešení a rychle generuje desítky možností, ze kterých lze vybírat. Po zkouškách s několika obecnými součástkami se tým firmy rozhodl vyzkoušet generativní návrh k optimalizaci dílu jednoho ze základních produktů CP pro cementárenský průmysl – chladiče slínku.

Nagel (napravo) si společně s týmem Claudius Peters prohlíží návrh existujícího dílu pro chladič slínku.

Co je chladič slínku?

Cementárenský průmysl byl od počátků existence Claudius Peters hlavním odběratelem produkce firmy. Výrobci cementu míchají kamennou drť a zahřívají ji v peci na 1 450 °C, čímž vznikají malé zaoblené hrudky zvané slínek. Dočervena zahřátý slínek se odvádí do chladiče slínku, což je masivní stroj o rozměrech 50 krát 25 metrů. Při průchodu chladičem je slínek ochlazován vzduchem na přibližně 100 °C. Poté jej výrobce pomele a smísí s ostatními složkami cementu.

Firma CP začala chladiče slínku vyrábět počátkem 50. let 20. století a v průběhu následujících 60 let jich dodala zákazníkům více než 700. K výrobě slínku je ale potřeba velké množství energie, kvůli čemuž je cementárenský průmysl jedním z největších producentů oxidu uhličitého na světě.

Krátce po roce 2000 začala firma CP vyvíjet novou generaci energeticky úsporných chladičů slínku ETA, kterou pojmenovala podle řeckého písmene „η“ („éta“), jež značí energetickou úspornost.

„Jednou z největších výhod našeho chladiče ETA je vynikající tepelná účinnost, říká Nagel. „Související energetické úspory mohou pomoci se snižováním negativního dopadu výroby cementu na životní prostředí.“

Nejvíc zakázek má dnes firma CP na obměnu chladičů slínku za chladiče ETA, které zvyšují efektivitu cementáren.

Chladič ETA ve švýcarské cementárně Holcim Untervaz je obrovský stroj o velikosti téměř poloviny fotbalového hřiště. Poskytla firma Claudius Peters.

Generativní návrh přináší překvapivé výsledky

Firma CP se rozhodla pomocí generativního návrhu optimalizovat jednu součástku chladiče ETA – těžký kovový díl, který byl nedávno upraven tradičními návrhářskými metodami na odstraňování přebytečného materiálu. Takových dílů se v každém chladiči ETA nachází 50 až 60 a jsou sešroubovány dohromady na skupině dopravníků, které přesouvají roztavený slínek strojem.

„Tento odlévaný díl jsme optimalizovali několikrát po sobě,“ říká Maximilian Lerch, konstruktér v CP. „Cílem bylo snížit hmotnost a související náklady na kovy. I sebemenší optimalizace hmotnosti by měla velký účinek. Bylo zajímavé pozorovat všechny techniky, jak se shromáždili kolem jedné počítačové obrazovky a sledovali, jak generativní návrh na základě prakticky ničeho, jen pouhých omezení, vytváří optimalizovaný a odolný díl. Všechny iterace, které jsou potřebné k nalezení nejlepšího řešení, jsou prováděny softwarově.“

Prvním výsledkem práce s generativním návrhem byl „cizokrajný díl“ (vpravo), který se zásadně lišil od původního přenosového dílu chladiče ETA (vlevo) i tradičním způsobem optimalizovaného dílu (uprostřed).

První výsledek práce s generativním návrhem přišel po čtyřech hodinách: „Nazvali jsme ho ‚cizokrajným dílem‘,“ říká Nagel. „Výsledek nás překvapil tím, že se od našeho optimalizovaného dílu výrazně lišil. A byl o 30 až 40 % lehčí.“

Přizpůsobení generativním návrhem vytvořeného dílu tradiční výrobě

Skeptičtí technici ve firmě Claudius Peters provedli s „cizokrajným dílem“ výpočty a analýzu MKP a užasli, když zjistili, že díl je mnohem úspornější než jeho tradičně optimalizovaná verze. Tým začal hledat postup výroby navrženého dílu. Generativní návrh používá k výrobě produktů 3D tisk a jiné metody aditivní výroby. V tomto oboru je 3D tisk dílů neuplatnitelný, protože je příliš drahý. Ale díky koncepcím generativního návrhu a tradiční optimalizace zabrala zpětná analýza dílu pouhý týden a nyní jej dokážou v CP vyrábět tradičními postupy.

Pracovníci týmu Cladius Peters testovali různá výrobní řešení ve firemní slévárně s pomocí Inventoru a analýzy MKP. Rozhodli se, že díl nevyrobí odléváním, ale pomocí laserově řezaných plátů a svařování. Snížili hmotnost dílu o dalších 25 %, zrychlili jeho výrobu a snížili náklady, které jsou s jeho produkcí spojené. Tým i dále studuje konstrukční možnosti přenosového dílu a hledá další příležitosti k jeho zlepšení a zlevnění jeho výroby. Vyrábět by jej měli začít velmi brzy a očekávají, že do roka si někde ve světě najde uplatnění.

Svářeč vyrobí prototyp nového přenosového dílu, který byl zpětně analyzován na základě koncepcí generativního a tradičního návrhu a informací ze slévárny.

Využívání výhod generativního návrhu

Generativně navržený díl dokáže firmě CP u každého nově nainstalovaného chladiče slínku ušetřit významnou částku. V souvislosti se snížením hmotnosti přenosového dílu o přibližně 20 kilogramů (44 liber) očekává firma úsporu asi 100 EUR (113 USD) na díl – krát 60 nebo více dílů v každém chladiči. A menší hmotnost znamená nižší náklady na dopravu. Od vytvoření prvního prototypu v CP věřili, že generativní návrh pomůže snížit náklady na výrobu produktů a zlepšit konkurenceschopnost.

Generativní návrh také znamená větší udržitelnost. Je možné vyměnit těžší díly odlévané ve slévárnách v Indii a Turecku za lehčí svařované díly, které dokonce dokážou vyrábět ve svém zdejším závodu. To znamená šetření materiálem, zkracování doby přepravy a omezení dalších negativních dopadů na životní prostředí.

Firma Claudius Peters v současnosti zavádí generativní návrh jako standardní postup optimalizace existujících dílů a navrhování dílů nových.

„V budoucnu najdeme další díly, které je možné optimalizovat a odlehčit o část materiálu,“ říká Nagel. „Postupně chceme vyzkoušet, jestli bude mít generativní návrh stejné pozitivní přínosy u všech dílů.“

Konstruktér Maximilian Lerch pracuje na zpětně analyzované verzi generativně navrženého dílu, kterou je možné vyrábět tradičními postupy.

Fotografie poskytla firma Claudius Peters.