Siguranță CNC prin Digital Twin

Doi studenți de masterat de la KU Leuven au dezvoltat un sistem de evitare a coliziunilor în timp real pentru mașinile CNC ca parte a lucrărilor lor de teză. Această soluție promițătoare folosește un digital twin pentru a prezice și preveni automat coliziunile mașinilor în timpul producției, cu impact direct asupra controlului costurilor, siguranței și continuității producției.

ASCO este un nume consacrat în industria aerospațială internațională din 1954. Compania belgiană face parte din Montana Aerospace Group din 2022, care are aproximativ 6.000 de angajați în întreaga lume. Cu aproximativ 1.100 de angajați în Belgia în patru locații, inclusiv sediul central din Zaventem, ASCO dezvoltă și produce componente mecanice complexe pentru aripile aeronavelor și trenurile de aterizare. Aceste componente sunt produse pe mașini CNC de ultimă generație controlate de tehnologia Siemens, unde precizia și fiabilitatea sunt esențiale.

Coliziuni: o realitate industrială

În producția aerospațială, programele NC sunt simulate în mod obișnuit într-un digital twin înainte de a fi transferate de la CAM la mașină. Cu toate acestea, riscul de coliziuni rămâne. Variațiile lungimii sculei, abaterile punctelor zero ale piesei de prelucrat sau erorile umane în timpul introducerii pot duce la accidente în timpul prelucrării. Consecințele sunt semnificative, cu daune potențiale ale mașinii, piesei de prelucrat sau programelor de producție care pot duce la costuri care ajung la zeci de mii de euro.

„Erorile umane sunt inevitabile într-un mediu complex de producție”, spune Mohamed El Hatri, Senior Lead Engineer la ASCO. „O lungime a sculei introdusă incorect sau operarea manuală prin modul jog poate fi suficientă pentru a provoca un accident grav. Prin urmare, am căutat o modalitate de a gestiona în mod activ acest risc, nu numai în prealabil, ci și în timpul procesului de prelucrare în sine. În producția aerospațială, lucrăm cu mașini CNC extrem de scumpe și complexe. Un ax singur într-o astfel de mașină CNC poate costa mai mult de 100.000 de euro. În ciuda simulărilor extinse în prealabil, coliziunile rămân posibile din cauza variațiilor minore sau a erorilor umane. Am vrut nu numai să limităm acest risc, ci să îl controlăm activ în timpul procesului de prelucrare în sine.”

Două secunde înainte

Această provocare concretă a devenit punctul de plecare pentru o colaborare între Siemens Industry Academy, Aerospace Machining Academy și ASCO, doi studenți de masterat KU Leuven dezvoltând o soluție inovatoare. Proiectul, care s-a desfășurat din octombrie 2023 până la sfârșitul anului universitar 2024-2025, s-a concentrat pe dezvoltarea unui sistem care simulează procesul de prelucrare în timp real cu două secunde înainte. În primul rând, un digital twin al mașinii a fost creat folosind Siemens NX CAM și NX MCD, care comunică continuu cu controlerul mașinii Siemens 840D sl. Dacă sistemul detectează o potențială coliziune, acesta trimite automat un semnal de oprire către mașină - mai repede decât ar putea interveni vreun operator. Procesul a fost, de asemenea, testat cu SinuTrain, pachetul software Siemens pentru programare CNC, proiectare și simulare. Această abordare s-a dovedit în cele din urmă a fi cea mai eficientă.

Alegerea regulii de două secunde este deliberată. Acesta reprezintă atât timpul de reacție extrem de rapid al controlerului Siemens, cât și factorul uman. Dacă este prezent un operator, imaginea simulată se aliniază îndeaproape cu starea reală a mașinii în momentul în care își mută atenția de pe ecran către instalația fizică. În același timp, sistemul oferă un nivel crucial de siguranță pentru mașinile fără pilot care funcționează autonom sau peste noapte.

Deși sistemul de evitare a coliziunilor nu este încă operațional în producție astăzi, ASCO vede oportunități clare în viitor. Soluția abordează o problemă larg răspândită în industria aerospațială, unde multe mașini nu sunt de ultimă generație și unde daunele cauzate de coliziune au un impact semnificativ.

Combinarea tehnologiilor

Pentru dezvoltare, studenții au folosit o stivă largă de software Siemens, inclusiv NX CAM, NX MCD, NX Open, SinuTrain și gateway-ul Brown Field Connector, care permite integrarea mașinilor mai vechi. „Punctul forte - și, de asemenea, provocarea - acestui proiect constă în combinarea posibilă a acestor tehnologii Siemens”, spune Jan Vereecke, Service Operations Team Leader MC MTS la Siemens. „Conectând direct NX CAM/SinuTrain, digital twin și controlerul 840D sl, am reușit să simulăm procesul de prelucrare în timp real. Aceasta înseamnă că digital twin funcționează nu numai ca instrument de proiectare, ci și ca un strat activ de siguranță în timpul producției. Tocmai această abordare inovatoare a făcut proiectul deosebit de provocator și, în același timp, extrem de relevant pentru studenți: au lucrat cu tehnologie de ultimă oră și au văzut cum combinația sa poate rezolva o problemă industrială concretă.”

Co-creație în cadrul Academiei de Industrie Siemens

Proiectul se aliniază perfect cu filozofia Academiei de Industrie Siemens, care pune accentul pe co-crearea în jurul provocărilor industriale reale. Elevii au posibilitatea de a lucra într-un context profesional, ghidat atât de experți academici, cât și de ingineri din industrie. Pentru ASCO, valoarea adăugată s-a extins dincolo de rezultatul pur tehnic. Inițiativa a oferit spațiu pentru explorarea și evaluarea tehnologiilor inovatoare fără a afecta producția în curs, construind în același timp cunoștințe interne valoroase.

„Acest proiect demonstrează perfect modul în care colaborarea noastră cu Siemens și lumea academică ne ajută să privim înainte”, afirmă Mohamed El Hatri. „Studenții aduc o perspectivă proaspătă, aducem experiență industrială, iar în cadrul Academiei de Industrie Siemens, putem explora idei inovatoare fără a afecta producția noastră continuă. Dezvoltând împreună o primă dovadă a conceptului, construim cunoștințe, obținem o perspectivă asupra noilor tehnologii și putem aborda inovația într-o manieră etapizată și atentă. Această colaborare confirmă modul în care partenerii din industrie, educație și tehnologie se consolidează reciproc și construiesc împreună o producție mai sigură și mai inteligentă în sectorul aerospațial.”

Pentru studenții înșiși, proiectul a fost la fel de valoros. „Am lucrat cu același software și condiții ca într-un mediu industrial real. Acest lucru a făcut ca proiectul să fie dificil din punct de vedere tehnic, dar și deosebit de educativ. Îndrumările ASCO și Siemens ne-au asigurat că a trebuit să ne gândim constant la ceea ce este fezabil și relevant în practică”, concluzionează studentul la masterat Rohan Vits.