Strategisk färdplan för området produktionsteknik inom satsningen Fordonsstrategisk Forskning & Innovation (FFI) Utgåva nummer: 2.0 Datum: 2011 04 26 Utgivare: Uppdatering: Programrådet för FFI Hållbar produktionsteknik Dokumentet kommer att uppdateras vid behov och under överseende av ovanstående programråd Innehållsförteckning 1. Bakgrund och syfte... 2 2. Produktionsteknikens status och utvecklingspotential... 3 Betraktelsesätt... 3 Principskiss... 4 3. Framtida milstolpar... 6 Milstolpe 1 2015... 9 Milstolpe 2 2020... 11 Milstolpe 3 2025... 13 4. Slutord... 15 1
1. Bakgrund och syfte Detta dokument beskriver på ett övergripande sätt FFI programmets 1 koppling till området produktionsteknik. Dokumentet kan ses som en strategisk färdplan 2 som innehåller en beskrivning av utmaningar, forsknings och utvecklingsbehov samt förväntade resultat. Syftet är att successivt utveckla en bättre förmåga att gemensamt identifiera forsknings och utvecklingsaktiviteter som bidrar till bättre konkurrenskraft inom produktion. Dessutom ska färdplanen vara ett instrument för uppföljning och utvärdering samt öka förståelsen för FFIprogrammet genom att illustrera sambandet mellan finansierade aktiviteter och förväntade effekter inom programmets område. Dokumentet försöker därför i sin inledande del, konkretisera vad som behöver göras för att nå programmets övergripande mål inom tillverkningsberedning och produktion, dvs. att jämfört med 2010 års nivåer bidra till att nå 40 % högre produktivitet i tillverkningsberedning o En till kortare ledtid för process och produktutvecklingsprojekt ger en kortare "time to market". För att klara detta är det viktigt med produktion och produktutveckling nära. 30 % högre produktivitet i produktionsprocesserna. o En stärkt konkurrenskraft bidrar till att säkra produktion av komponenter och fordon i Sverige vilket också långsiktigt säkrar produktutveckling i Sverige. Produktion i Sverige är en viktig faktor för att säkra fordonsutveckling i Sverige. 30 % mindre miljöpåverkan i tillverkningsprocesserna. o En mer miljövänlig produktion bidrar till en totalt lägre miljöbelastning i produktens livscykel. Programmål riktade mot miljö, klimat och säkerhet kan endast realiseras på ett effektivt och ekonomiskt sätt genom att utveckla och implementera effektiva produktionsprocesser såsom utvecklas i delprogrammet Hållbar produktionsteknik. Många av de tekniska framsteg som utvecklas med särskilt avseende på säkerhet kombinerat med ökad driftsekonomi kommer att ha sin grund i nya material och konstruktionslösningar som måste realiseras i en effektiv produktionsapparat. För att dessa framsteg skall gå att realisera i större skala på ett ekonomiskt effektivt sätt ställs nya krav på produktionsprocesser och produktionssystem. Sveriges tillverkningsföretag behöver kontinuerligt forska inom hållbar produktionsteknik för att effektivisera tillverknings och produktionsprocesserna, detta för att hålla sig i framkant och på så sätt stå sig konkurrenskraftiga på den internationella marknaden såväl som på den inhemska. I dokumentets avslutande del görs ett försök att se längre in i framtiden, i vissa fall så långt som till 2030. Av naturliga skäl blir beskrivningen mindre fyllig och allt osäkrare ju längre bort man tittar. 1 http://www.vinnova.se/sv/ffi 2 Motsvarar det engelska begreppet roadmap 2
2. Produktionsteknikens status och utvecklingspotential Framtagning av innovativa miljövänliga och säkra produkter är av avgörande betydelse för svensk fordonsindustris globala konkurrensförmåga. Samtidigt måste tillverkningsprocesserna och systemen vara kapabla att tillverka dessa innovativa produkter till rimliga kostnader, med hög kvalitet och korta leveranstider genom en effektiv flexibel produktion. Detta innebär att det bl.a. måste vara möjligt att tillverka fordon med konventionella drivlinor och fordon med nya drivlinor i samma produktionssystem. Från dagens perspektiv har följande tre huvudområden identifierats som mest betydelsefulla (med stor utvecklingspotential) för en hållbar tillverkning av innovativa, miljövänliga, säkra och konkurrenskraftiga produkter: Introduktion av nya avancerade lättviktsmaterial både på marknaden och i fordonsindustrins tillverkningsprocesser. Produktionsprocesserna måste därmed modifieras och anpassas så att alltmer avancerade material kan användas i produkterna. Allt snabbare utveckling av virtuella verktyg och snabbt ökad användning av virtuell tillverkningsberedning i syfte att så tidigt som möjligt (i produktutvecklingsprocessen) skapa förutsättningarna för en hållbar tillverkning. Utveckling av nya miljövänligare drivlinor inom fordonsindustrin. 2015 års produktionssystem bör kunna ta hand om en blandning av olika modeller och olika drivlinor. Detta kommer att leda till en kraftig ökning av antalet varianter. Detta kommer med stor sannolikhet också att innebära allt mindre seriestorlekar, vilket kommer att kräva seriestorleksanpassade lösningar och effektiva logistiska processer och flöden. Betraktelsesätt Det går att beskriva aktiviteterna inom FFI på många sätt och resultatet påverkas av det betraktelsesätt man valt. Programrådet har valt att utgå från följande två aspekter vid framtagning av färdplanen: 1. Beskrivning av produktionssystem och milstolpar 2. Produktionsteknikens såkallade programområden Den första aspekten handlar om att försöka beskriva ändringarna i produktionssystemets utformning som resultat av forskningsinsatser fram till 2025. Beskrivningen hålls på en generisk nivå. Skälen för detta är att förenkla framställningen (samma koncept för personbilar som för tunga fordon, t ex) samt att respektera företagens behov av konfidentialitet när det gäller teknik och produktplaner. Koncepten är knuten till en milstolpe, dvs. en tidpunkt då de nödvändiga forsknings, test och demonstrationsaktiviteterna måste vara avslutade för att en industrialiseringsfas utanför FFI ska kunna ta vid. Den andra aspekten bygger på hållbar produktionstekniksprogrammets så kallade programområden: 1. Komponenttillverkning 2. Formning och fogning 3
3. Ytbehandling och målning 4. Montering 5. Geometri /kvalitetssäkring 6. Automation av produktionslinjer, robotik och styrsystem 7. Logistik och materialplanering/ hantering inom produktionsanläggningar 8. Produktionsledning 9. Virtuell tillverkningsberedning och hantering av tillverkningsdata Områdena ovan är delvis överlappande och ett visst projekt kan mycket väl greppa över flera programområden. Oavsett vilken indelning man väljer i en framställning som denna kommer man att behöva hantera sådana överlapps och avgränsningsproblem. I framställningen nedan betraktas inte möjliggörande lösningar, som är kopplade till produktkrav för övriga färdplaner. Vidare beskrivs i första hand produktionstekniska frågeställningar. Principskiss Det kommer att krävas ett uthålligt och systematiskt arbetssätt för att uppnå de önskade resultaten vid de aktuella milstolparna. På en övergripande nivå kan man se arbetet som ett ständigt växelspel mellan forskning, utveckling och implementering. FFI tillåter stor spännvidd när det gäller vilka typer av resultat som produceras. För vissa resultat av nydanande eller grundläggande karaktär kanske det tar årtionden innan det är tekniskt och ekonomiskt möjligt att dra nytta av den aktuella kunskapen. Och eftersom det ofta handlar om riskfyllda projekt så finns det också sådana som aldrig kommer att avspegla sig i produkter och tjänster. Å andra sidan förekommer det att resultat framtagna med hjälp av ett vetenskapligt angreppssätt i det närmaste omgående kan ge ett avtryck i produkt och tjänsteutveckling. Kombinationer av båda dessa former är också vanlig, t ex i form av ett långsiktigt projekt med stort forskningsinslag där ny kunskap löpande tappas av till företagens förutvecklings eller produktutvecklingsavdelningar eller förs in i universitetens och högskolornas forskning och utbildning. Delar av det arbete som krävs för att nå en viss milstolpe kan alltså komma till nytta långt före den tänkta marknadsintroduktionen av det färdiga konceptet. I figuren nedan illustreras ovanstående resonemang grafiskt. 4
2010 2013 2015 2017 2020 2023 2025 2027 2030 Milstolpe 1, 2015 Forskning Utveckling Implementering Introduktion av Effektiv flexibel produktion (2018 2020) Milstolpe 2, 2020 Forskning Utveckling Implementering Introduktion av Lätta material, nya processer (2023 2025) Milstolpe 3, 2025 Forskning Utveckling Implementering Introduktion av Miljöneutral prod., optimerade processer (2028 2030) Löpande avtappning och utnyttjande av ny kunskap Löpande avläsning av indikatorer Programrådet för Hållbar Produktionsteknik 2011 Bild 1: Principskiss för produktionsrelaterade forsknings, utvecklings och implementeringsaktiviteter inom FFI. När det gäller synen på resultaten från programmet så ansluter FFI väl till EU kommissionens initiativ kallat Innovation Union och dess ambition att vi måste få ut mer innovation från vår forskning. Det måste inte bara tas fram mer kunskap i största allmänhet utan forskningsresultat måste omsättas mycket snabbare i praktisk tillämpning. Styrelsen för FFI har möjlighet att, vid sidan om programråden, direkt finansiera satsningar av banbrytande karaktär. Det handlar i första hand om projekt som, om de lyckas, leder fram till större tekniksprång eller andra avgörande förändringar med relevans för området. Denna typ av projekt kan även drivas av programrådet. Programrådet stödjer också projekt som närmast kan beskrivas som förädlande (arbete för att vidareutveckla redan använda processer, metoder eller verktyg) eller stödjande (aktiviteter av kunskapsuppbyggande eller allmän karaktär). 5
3. Framtida milstolpar För varje forskningsområde kommer projektkartläggning av pågående eller planerade forskningsprojekt att generera ett antal projektresultat. Varje forskningsområde tar fram delområden samt mål och vision för dem. Även delområden som inte täcks av FFI:s projektportfölj, eller finansieras av andra program eller aktörer, beskrivs på kartan. Dessa resultat summeras till års 2015 forskningsresultat. Vid behov delas forskningsresultat till generella alternativt fördelas till personbilar eller tunga fordon. Noggrannare beskrivning står i fjärde upplaga av det fordonsindustrin framtagna underlaget 3 (under bearbetning). Bild 2. Exempel på projektkartläggning av ett forskningsområde delad i delområden. Forskningsresultat summeras till års 2015 milstolpe. Nästa steg är att beskriva milstolparna 2020 och 2025. Dessa tas fram genom att dels följa logisk fortsättning av forskningsområdena, dels genom att följa färdplan från andra FFI delprogram. För att göra kommunikation med andra delprogram och färdplan lättare kommer färdplan beskriva inte bara tillståndet hos varje forskningsområde utan även produktionssystemet. Följande modell av produktionssystem används som utgångspunkt: 3 2020 SUSTAINABLE MANUFACTURING SYSTEMS CAPABLE OF PRODUCING INNOVATIVE ENVIRONMENTALLY FRIENDLY AND SAFE PRODUCTS, THIRD EDITION, HTTP://WWW.VINNOVA.SE/SV/FFI/FFI HALLBAR PRODUKTIONSTEKNIK 6
Bild 3. Modell av processcentrerat produktionssystem 4. Material, energi och informationsflöde in i och ut från förädlingsprocessen betraktas. Beredning och förbättringsarbete symboliseras av den röda pilen där utgångspunkten är den värdeskapande processen. Genom att kartlägga forskningsresultat från varje forskningsområde mot produktionssystemets olika delar skapar vi milstolpe för 2015. 4 Referens: Sven Hjelm, Scania 7
Tabell 1. Forskningsresultat 2015 från varje forskningsområde kartläggs mot produktionssystemets olika delar. Därmed beskriver vi även produktionssystemet, inte bara tillståndet hos varje forskningsområde. FFI Hållbar produktionsteknik bidrar mest till konkurrenskraft, men som visionsrelaterad mål och indikator mäts även Energianvändning per producerat fordon. Senare har detta nyckeltal ändras till Energianvändning och CO 2 utsläpp per nettoomsättning som är rättvisare ut produktmixsynpunkt. Även programspecifika målen redovisas. Vision Reducerad energianvändning och CO 2 utsläpp per nettoomsättning Produktivitet i tillverkningsberedning Produktivitet i produktionsprocesserna Reducerad Miljöpåverkan i tillverkningsprocesserna 2015 Milstolpe 1 2020 Milstolpe 2 2025 Milstolpe 3 Hållbara tillverkningssystem kapabla att producera innovativa, miljövänliga och säkra produkter 25 % MWh/MSEK 50 % MWh/MSEK 60 % MWh/MSEK 35 % ton/msek 55 % ton/msek 70 % ton/msek 40 % 65 % 75 % 30 % 50 % 65 % 30 % 50 % 65 % Tabell 2. Programspecifik vision och mål (referensår 2010). 8
Bild 4. Diagrammen över visionsrelaterade indikatorer Energianvändning och CO2 utsläpp per nettoomsättning. Milstolpe 1 2015 Genom att jobba utmaningsstyrtt skapas långsiktighet i arbetet. Genom utmaningar kan även kopplingar till andra färdplaner och programrelaterade mål hanteras. Utmaningar 5 Kostnadseffektivitet Energi och materialeffektiva processer och utrustning Kort tid till marknad Processteknologier för nya material Adaptivt/ omkonfigurativ Produktkvalitet Högre produktivitet Ökad återanvändning Nya produkter 2015 Milstolpe 1 Låga kostnader genom hög produktivitet och högt kapitalutnyttjande med minimering av slöseri, högt OPE etc. Systematisk omkonstruktion och materialoptimering inklusive fogningsteknik. Både traditionella och nya material. 5 10 % viktreduktion. Tillräcklig kapacitet och leveransförmåga med effektiv logistik, hög tillgänglighet, kapacitetsflexibilitet etc. Säkerställd kvalitet med allt vad det innebär i form av robusta maskiner och processer, mätberedning, oförstörande provning etc. Produktkrav från andra färdplaner 5 Factories of the Future PPP, pp. 13 9
Som svar till utmaningar kommer beskrivning av produktionssystem med följande egenskaper: Övergripande koncept: Effektiv flexibel produktion Huvudelement/karakteristiska drag: enkelhet, flexibel, adaptiv, resurssmart, rolig/inspirerande arbetsplats, kvalitetshöjande, robust, minimal miljöpåverkan. Huvudelement i produktionssystemet Människa Fabrik Cell/line Maskin/utrustning Verktyg 2015 Milstolpe 1 Lättanvända och standardiserade man/maskin gränssnitt (HMI) Säkrad rätt information vid beslutstillfälle Virtuell ergonomi Förbättrade operatörsanvändargränssnitt Lösningskoncept för logistikcenter Ompackningsmodell för artikelkategorier Effektivt kitting Åtgärdad operatörsupplevd komplexitet Optimerad ergonomi och produktivitet Featurebaserade beredningssystem Intelligenta materialfasader Ekonom. modeller för kvalitetsbriskostnader Standardiserade överordnade system Truckfria leveranslösningar Ökad variant och volym flexibilitet Moduluppbyggda styr och uppföljningssystem Implementerad utrustning för automatiserad inspektion Ventilation anpassad till produktionsvolym Koncept för lean painting specificerade Organisationsformer vid linemontering Resultatåterkoppling av produktionsutfall Virtuellt optimerade sammansättningsprocesser, visualisering av resultat Modulär omprogrammerbar utrustning Robusta maskiner Låg livscykelkostnad Testmetoder för maskiners kondition och prestanda Effektiv sammanfogning av mixade material Eliminerad maskering Tredje hand robotassisterad montering Robusta fixturer (geometriskt stabila fixturer/robotar) Stöd för lean & green utformning av arbetsplats System för mätning av miljöpåverkan Nya verktygsmaterial och beläggningar Kortare ställtider Lägre kostnad för formverktyg genom optimerad ytdesign In house vax och färgborttagning införd Nya åtdragningsmetoder Utrustning för beröringsfri effektiv mätteknik Effektivare beredning Effektiva plockinformationssystem 10
Huvudelement i produktionssystemet Process 2015 Milstolpe 1 Kretsloppssystem för vätskor, energi mm. Förfinade processer för svårbearb. material Nya NDT metoder Förfinad simulering av formning och fogning i karosstillverkning Nya metoder för plåtformning Simulering, 3D skanning och robotlackering, ny ytbehandlingsprocess Automatisk generering av mätprogram utifrån krav Effektiv processrelaterad kravsättning Robust produktdesign Särkostnadsmodell vid varianttillväxt Rätt planeringsnivå beroende av produkt och försörjningsstrategi Utbytbara virtuella modeller med kinematisk information Milstolpe 2 2020 Utmaningar 2020 Milstolpe 2 Kostnadseffektivitet Låga kostnader genom hög produktivitet och högt kapitalutnyttjande med minimering av slöseri, högt OPE etc. även vid produkt realisering Energi och materialeffektiva Energisparfunktion/viloläge ( Hibernate funktion) i processer och utrustning produktionssystemet Kort tid till marknad Störningsfri produktintroduktion, produktionseffektiva produkter Processteknologier för nya Optimal användning av nya material genom multidisciplinär material optimering. Multifunktionella material. Låg vikt och bättre prestanda. Adaptivt/ flexibelt Tillräcklig kapacitet och leveransförmåga med effektiv logistik, hög tillgänglighet, kapacitetsflexibilitet etc. även med hänsyn till nya material och nya drivlinor Produktkvalitet Robusta styrbara processer för minimering av kontrollbehov Högre produktivitet Global konkurrenskraft Ökad återanvändning Utvecklade kretsloppssystem för processrelaterade material och utrustningar Nya produkter Produktkrav från andra färdplaner, (Förbättrad kommunikation hos produktionssystemet: geometri, material, tolerans och kostnad) 11
Övergripande koncept: Lätta material, nya processer Huvudelement/karakteristiska drag: enkelhet Huvudelement i produktionssystemet Människa Fabrik Cell/line Maskin/utrustning Verktyg Process 2020 Milstolpe 2 Tränad, motiverad och kunnig arbetskraft på alla nivåer Fullständigt integrerad utveckling av produkter och processer för ekologisk, social och ekonomisk hållbarhet En produktionsprocess som kan anpassa sig till optimalt modulariserade produkter. Effektiv design och konfiguration av materialförsörjning system, till lägre kostnad, ökad flexibilitet och lyhördhet och hållbar utveckling. Högpresterande materialhantering med avseende på energi och kostnadseffektivitet, flexibilitet, kvalitet, robusthet och tillförlitlighet Snabbare och effektivare utveckling av produktionslinjer med förmågan att hantera ett ökat antal varianter och nya typer av produkter Energieffektiva tillverkningssystem som är återanvändbara genom modulär och programmerbar utrustning Användarvänliga flexibla automatiserade system och verktyg som stöder korta ledtider och resursminimering. Självdiagnostiserande och adaptiv utrustning som kan iordningställas och hanteras av andra än experter. Låg livscykelkostnad och säkerställd noggrannhet, stabilitet och tillförlitlighet för säkrad produktkvalitet, kapacitet och minimering av skrottillverkning. Processteknik som stöder produktutveckling i nya material och som samtidigt minskar energi och vattenförbrukning, miljöpåverkan och avfall. Formnings och fogningsprocesser som möjliggör robust, högproduktiv och flexibel produktion i avancerade material och materialkombinationer, supporterade av effektiva simuleringsmetoder. En konkurrenskraftig och kostnadseffektiv monteringsprocess som kan anpassas till optimerade modularisering inom produktutveckling. 12
Milstolpe 3 2025 I denna avslutande presenteras dels signaler från de övriga programrådsfärdplaner som har bäring på framtida produktionsforskning och dels gör en beskrivning speciellt kring hur behovet av forskning på materialmodeller kommer att växa kraftigt då nya lättviktsrelaterade material införs. Färdplan Energi och Miljöeffektivitet: Kommande forskning inom detta område kommer att ske inom: Motorer med hög kompression o nya material kommer att krävas vilket även kommer att kräva delvis nya produktionsprocesser Multifunktionell hjulkontroll o nya monteringsprocesser kommer att krävas Motorer med optimerad smörjning o känsligare toleranser kommer att kräva högre precision i tillverkningskedjan Lättvikt o radikalt nya material kommer att kräva nya fogningsmetoder och sammansättningsstrukturer Skräddarsydda fordon baserad på moduldesign o detta kommer ställa ytterligare krav på flexibilitet i produktionssystemet Färdplan Trafiksäkerhet Framtidens fordon kommer innehålla en mängd nya elektronikbaserade funktioner för att stödja föraren både aktivt och passivt. Detta kommer att ställa krav på effektiv hantering av utgåvor och kvalitetssäkring i nedladdningsprocesser i produktion/alt efter produktion. Färdplan Innovationssystemet Flera områden är kritiska för att kunna skapa innovationssystem som stödjer FFI Hållbar produktionsteknik. Systemförändringar kräver långsiktighet och därmed borde många av åtgärderna påbörjas redan 2011. Inom produktionsteknik har Sverige 16 universitet och institut samt ett tiotal centrumbildningar som potentiella kunskapsleverantörer till FFI Hållbar produktionsteknik 6. Uppenbart är att nya, starka och branschövergripande FoI miljöer behöver bildas när mognadsgraden inom hybridisering eller elektrifiering av fordon utökar. Samma gäller även introduktion av lättare material till produktion. I båda fallen kommer även nationell och internationell leverantörsutveckling och distribuerad produktutveckling spela viktig roll: material och elkomponentindustrin har inte vana att leverera till fordonsindustrin med deras kvalitets och leveransvillkor. Samtidigt måste fordonstillverkarna lära sig nya produktions och monteringsprocesser samt behärska deras energi och miljökrav. Vidare kan behovet av kompetent personal med produktionsteknisk utbildning lyftas fram. Redan nu är kompetensförsörjning kritisk fråga för fordonsproduktion. Tillgång på välutbildade och anställningsbara personer på magister och forskningsnivå kräver långsiktighet och djupsamarbete 6 2020 SUSTAINABLE MANUFACTURING SYSTEMS CAPABLE OF PRODUCING INNOVATIVE ENVIRONMENTALLY FRIENDLY AND SAFE PRODUCTS, THIRD EDITION, Kapitel 4.1 4.2 HTTP://WWW.VINNOVA.SE/SV/FFI/FFI HALLBAR PRODUKTIONSTEKNIK 13
med lokala utbildningsaktörer från grundskolan och uppåt. Även kompetensförsörjning inom företag behöver förstärkas för att skapa en kunskapsorganisation med kreativitet och innovation. Stödjande strukturer för detta finns delvis hos dagens kunskapsleverantörer, men behöver definitivt utvecklas. Framtida strategiskt behov av nya materialmodeller relaterat till bl.a. fordonsutveckling Enorma och kostsamma mängder med data krävs för att kunna beskriva materialegenskaperna i produkter och produktionssystem. När man vill testa och verifiera olika lösningar blir resultaten inte alltid tillräckligt noggranna eller tillförlitliga. En vanlig orsak till detta är bristen på tillräcklig bra materialdata. Därför krävs gemensamma materialdata som kan användas under produktens hela livscykel (utveckling, produktion och nyttjande) Man kan konstatera att väldigt många projekt innehåller forskningsfrågor som berör material och produkt/produktionsmodeller. Många FoU ställen, såväl högskolor, universitet som institut sysslar med detta och att samordningen både inom Sverige samt internationellt behöver förbättras. Målsättningar med föreslagen forskning inom materialmodeller: Ta fram materialdata, baserade på etablerade och vidareutvecklade industristandarder, som behövs under livscykeln samt metoder för hur dessa data skall lagras så att ett systemoberoende erhålls Samordna, utvärdera och vid behov anpassa utvalda FoU resurser i Sverige och internationellt. 14
4. Slutord Programrådet har förhoppningen att denna kondenserade färdplan ska vara ett gemensamt instrument för strategiska vägval avseende forsknings och utvecklingsaktiviteter samt värdefull vid uppföljning av programmet likväl som för att förmedla en övergripande bild av FFI och dess betydelse för området produktionsteknik. Färdplanen kommer att behöva uppdateras regelbundet och sannolikt minst vartannat år. I dokumentet ges exempel på forsknings och utvecklingsområden som är relevanta för FFIprogrammet när det gäller området Hållbar produktionsteknik. Detta ska emellertid inte tolkas som om dessa är de enda områden där FFI kan finansiera fordonsstrategiska forsknings, utvecklings och innovationsaktiviteter. 15