Module cookie pe site-ul web SKF

SKF utilizează module cookie pe site-urile companiei pentru a alinia informațiile prezentate cât mai asemănător posibil pentru preferințele vizitatorilor noștri, cum ar fi alegerea țării și limbii.

Acceptați modulele cookie SKF?

Raportul Energie pentru viitor: Tehnologii în curs de dezvoltare şi fabricile viitoare

2015 februarie 04, 09:00 CEST

AUTOR: Profesor Peter J Dobson OBE, The Queen’s College, Oxford şi Warwick Manufacturing Group, University of Warwick.

În ultimele două decenii, s-au înregistrat schimbări importante în producţie, după ani de zile de fabrici zgomotoase, murdare, care se bazau pe instrumente demodate şi practici de lucru care au fost scoase din uz. Chiar în cazul unităţilor de producţie tehnică la scară largă, locul de muncă este evident mai curat şi mai bine organizat. Aceste schimbări au survenit în mare măsură în urma îmbunătăţirilor în ceea ce priveşte eficienţa, bunurile de calitate superioară şi metodele de reducere a costurilor.

Întrebarea la care trebuie să răspundem în prezent este următoarea: Cum vor influența tehnologiile în curs de dezvoltare şi progresele tehnologiei tradiţionale viitorul şi organizarea fabricii? În contextul utilizării la scară largă a tehnologiei informaţiei şi a comunicaţiilor (TIC), care creează un amestec divers de tehnologii şi aplicaţii, atitudinile faţă de producţie se schimbă deja, inclusiv modul în care forţa de lucru viitoare este dezvoltată şi instruită.

Tehnologii noi şi în curs de dezvoltare:

Creşterea omniprezentă a importanţei şi sofisticării TIC nu poate fi neobservată. Procesele pot fi monitorizate şi controlate. Stocul produselor intrate, cât şi al celor ieşite din cadrul unui proces de producţie poate fi acum urmărit, iar datele pot fi folosite pentru maximizarea eficienţei. Starea de funcționare a utilajelor folosite în fabrici poate fi monitorizată continuu, iar acest lucru poate şi chiar va avea implicaţii importante asupra reducerii costurilor de întreţinere şi de nefuncţionare. Acest lucru va reduce şi posibilitatea erorilor umane (Dhillon 2014).

Procesul de proiectare în sine a fost modificat şi s-a redus mult numărul personalului de proiectare şi varierea în infrastructura corespondentă. Acest lucru ar putea avea ca rezultat creşterea numărului de companii sau echipe specializate în proiectare care lucrează de acasă, care servesc mai multe unităţi de producţie. Referinţele la „proiectare“ vor intra mai frecvent în vocabularul inginerilor. Va deveni parte a mai multor ramuri din inginerie, ceea ce va avea, fără îndoială, efecte profunde asupra educaţiei la toate nivelurile.

Dintre noile tehnologii în curs de dezvoltare, biotehnologia a înregistrat progrese datorită noile dezvoltări în biologia sistemelor şi biologia sintetică, urmată de nanotehnologie şi aplicaţiile acesteia în sectorul materialelor, medicinii, energetic etc. Acum avem posibilitatea să anticipăm nevoia unui nou tip de fabrică care ar putea crea şi manipula celule umane.

Biotehnologia a început deja, din multe aspecte, să câştige un loc în cadrul fabricilor, însă este foarte variabilă în ceea ce priveşte amploarea şi scopul. Pe lângă existenţa operaţiunilor pe scară largă care transformă bio-culturile în produse nealimentare şi energie, există şi fabrici tehnologice la scară redusă, însă foarte performante, care creează enzime, proteine şi biomolecule pure pentru medicină şi în alte scopuri. Aceste activităţi vor înregistra progrese, în ciuda îngrijorărilor publice privind modificările genetice. Un factor comun al acestor activităţi este importanţa crescută a activităţii interdisciplinare şi nevoia crescută de ingineri chimiști şi de proces.

O nouă dezvoltare foarte probabilă este dezvoltarea „fabricilor de celule stem“ şi, ulterior, a „fabricilor de înlocuire a organelor“. Totuşi, modelul de afaceri pentru acestea şi modul în care vor fi organizate şi construite rămân a fi decise. Lumea biotehnologiei este foarte expusă la contaminare cu specii nedorite de microbi, viruşi şi ciuperci. Prin urmare, este extrem de important ca organizarea şi curăţenia să fie perfecte, iar majoritatea fabricilor biotehnologice sunt şi vor fi caracterizate de condiţii de operare sterile, foarte curate, precum şi de izolarea atentă a deşeurilor.

Asemenea multor altor procese chimice, aceste fabrici se vor strădui să folosească la maxim „deşeurile“, inclusiv căldura şi dioxidul de carbon, pentru alimentarea altor procese din fabrică. Această atitudine ce promovează zero deşeuri şi eficienţă termică maximă este implementată în gândirea inginerilor de proces. Un bun exemplu emergent este utilizarea energiei obținută din căldura reziduală, fluxul de fluid sau vibraţii pentru obţinerea de energie electrică pentru senzori, care acum sunt mult mai integraţi în fabrici, eliminând adesea nevoia de folosire a multor cabluri prin utilizarea telemetriei wireless. 

Nanotehnologia are potenţialul de a oferi îmbunătăţiri şi schimbări foarte importante materialelor prin intermediul unei abordări progresive, precum şi de a aplica adevărate acţiuni de transformare în domenii cum ar fi iluminatul cu consum redus de energie, noi medii de stocare a energiei şi conversia energiei, precum şi dezvoltări nanomedicale. Va exista nevoia unei măriri semnificative a scalei, pentru ca nanoparticulele şi alte nanostructuri să poată fi produse în masă în condiţii strict controlate, iar apoi încorporate în materiale şi produse. Această „călătorie“ este abia la început. Suntem deja conştienţi de pericolele potenţiale ale nanoparticulelor care ar putea fi eliberate accidental în mediul înconjurător sau la locul de muncă, prin urmare utilizarea acestora va fi strict controlată, iar acest lucru va aduce după sine noi moduri benefice de controlare a deşeurilor emanate de viitoarele fabrici. Mai mult, trebuie să avem în vedere economia introducerii de noi materiale nanocompozite chiar dacă avem în plan îmbunătăţiri progresive. În majoritatea industriilor, „costul este regele“ este principala paradigmă, iar piaţa va determina dacă un beneficiu minor în performanţă poate justifica creşterea costurilor de producţie. Pe viitor va exista o analiză a ciclului de viaţă mult mai detaliată. Aceasta este tot mai aparentă deja în sectorul materialelor compozite, deoarece în cazul acestor materiale este foarte dificil să se recupereze materialele brute originale în vederea reciclării. Resursele sunt din ce în ce mai limitate, iar acest lucru ar putea duce chiar la noi concepte de fabrici de reciclare.

Sectoare în care vor fi necesare noi concepte de fabrici:

Sectorul farmaceutic va suporta probabil schimbări radicale în curând. Multe dintre metodele tradiţionale de preparare a noilor medicamente vor fi menținute, însă pentru a se asigura calitatea şi a se menţine costurile reduse, procesele vor deveni mai automatizate şi vor încorpora mai multe instrumente. Introducerea nanotehnologiei pentru sintetizarea de noi metode de furnizare a medicamentelor şi de diagnosticare va aduce după sine, în special, schimbări majore în procesul de fabricare a produselor. Acest lucru s-ar putea face treptat, iniţial „extinzând durata de viaţă“ a formulelor existente prin furnizarea de medicamente prin intermediul nanoparticulelor sau nanocapsulelor. Acest lucru ar putea fi aplicat în special medicamentelor inhalate. Toate aceste nanoparticule vor avea și un strat de suprafaţă foarte sofisticat „de recunoaştere a ţintei“ pentru a se asigura faptul că ajung în partea ţintă corectă a corpului. Transformarea procesului de fabricare într-unul care să facă acest lucru reproductibil şi într-o manieră care să satisfacă autorităţile de reglementare va fi o provocare.

Sectorul energetic va necesita noi metode de fabricare. Nanoparticulele şi multe aspecte ale biotehnologiei vor sta la baza noilor metode de stocare şi generare a energiei. Majoritatea noilor progrese în domeniul bateriilor se bazează mult pe dezvoltarea de noi materiale de stocare şi eliberare a ionilor încărcaţi cu sarcină electrică. Acest lucru necesită integrarea de noi materiale pe bază de carbon, care pot fi proiectate să aibă suprafeţe interne imense în aceste baterii. Factorii cheie nu se limitează doar la industria vehiculelor hibride şi electrice, ci se cuprinde şi stocarea energiei în general, în special pentru sursele intermitente de energie regenerabilă, cum ar fi vântul şi energia solară. De asemenea, nanoparticulele pentru catalizatori vor trebui să aibă o formă mai sofisticată. Există un potenţial ridicat de a face catalizatorii şi reactoarele să ajute la convertirea „capacităţii electrice neutilizată“ în gaz, fie hidrogen prin electroliză, fie fotoelectroliza apei şi posibilitatea de a produce metan din dioxid de carbon şi apă. Catalizatorii şi noile reactoare specializate vor fi necesare şi pentru conversia gazului în lichid, deoarece, ne place sau nu, combustibilii pe bază de hidrocarburi sunt o metodă foarte eficientă de transportare a energiei.



Industria transporturilor şi automobilelor va implementa cerinţe foarte stricte asupra noilor materiale în vederea reducerii greutăţii şi menţinerii în acelaşi timp a puterii şi integrităţii. Există deja modificări prin care s-a înlocuit la vehicule oţelul cu aluminiul pentru ca acestea să fie mai uşoare, iar această schimbare generală poate continua. Rolul materialelor compozite care înlocuiesc oţelul este dificil în special din cauza problemei reciclării prezentate mai sus. Recuperarea energiei din actuala căldură reziduală, atât în industria auto, cât şi în construcţii, va duce la crearea de noi tipuri de pompe de încălzire şi alte convertoare de energie.

Instructajul:

Este evident faptul că există o nevoie reală şi urgentă de persoane instruite pentru fabricile viitorului. Există mai multe iniţiative europene, printre care „Manufuture“, iar situaţia contrastantă dintre SUA şi Japonia a fost bine rezumată de Mavrikios et al (2013). Tendinţele globale în acest domeniu au fost reunite şi analizate într-o lucrare semnată de Secundo et al (2013). Aceasta a identificat în special nevoile societăţii de conservare a resurselor limitate, ţinând cont de schimbările climatice şi reducerea sărăciei. De asemenea, a fost menţionat programul Manufuture şi programul IMS2020 desfăşurate în Europa, Japonia, Coreea, SUA şi Elveţia, care abordează toate aceste chestiuni, precum şi standardizarea, inovaţiile şi toate aspectele importante ale dezvoltării competenţei şi educaţiei.

De exemplu, Regatul Unit organizează instructaje pe mai multe nivele. Aceasta îşi creşte capacitatea de formare a abilităţilor în stadiu incipient, prin intermediul uceniciei, şi au fost inaugurate noi colegii universitare tehnice speciale care fac parte din colegiile de formare continuă. La nivel de învăţământ superior există mai multe centre specializate de formare doctorală. În prezent, lacuna la nivelul Regatului Unit şi a altor ţări este probabil în stadiul post-experienţă şi în furnizarea cursurilor de dezvoltare profesională continuă. Sincer, această problemă trebuie cu siguranţă rezolvată.

EPSRC a introdus recent o iniţiativă axată pe îmbunătăţirea instructajului şi transferului de cunoştinţe în industria producătoare, creând 16 noi centre pentru producție inovatoare. Această prevedere pentru cercetare şi dezvoltare în stadiile incipiente ale nivelelor 1-3 de pregătire a tehnologiei se adaugă noilor iniţiative InnovateUK Catapult din Regatul Unit, care acoperă nivele superioare de pregătire a tehnologiei. În prezent, există 7 asemenea iniţiative în Regatul Unit, investiţiile ridicându-se la 140 de milioane GBP pe o perioadă de 6 ani.

Un alt aspect care nu a fost acoperit până acum este problema menţinerii fabricilor viitorului în stare de funcţionare. De-a lungul anilor, s-a adoptat o anumită formă de monitorizare a stării de funcționare şi a mentenanței preventive, în special în industria aerospaţială şi industria automobilelor. Pe măsură ce procesele de producţie devin mai diversificate şi mai automatizate, va exista nevoia evitării erorilor de fabricare şi în special a erorii umane. Aceste probleme sunt descrise foarte bine într-o lucrare recentă semnată de Dhillon (2014).

Care sunt politicile regionale şi naţionale care vor fi implementate pentru a ajuta la dezvoltarea fabricilor viitorului?

Există un consens larg cu privire la răspunsul la această întrebare şi se pare că un scop comun este în curs de dezvoltare.

Comisia Europeană a emis un document solicitat de asociaţia europeană de cercetare Factories of the Future: „Fabricile viitorului“, care stabileşte o hartă detaliată a programului său Horizon 2020. Acest document acoperă foarte pe larg aspectele tehnice, sociale şi organizaţionale.

Guvernul Regatului Unit a emis un document solicitat ca parte a proiectului său de prospectivă Future of manufacturing: „The Factory of the Future“ (Ridgeway et al (2013)). Acest document recomandă:
  • O mai mare integrare a lanţurilor de aprovizionare
  • O colaborare mai strânsă între industrie şi universităţile din Regatul Unit
  • Axarea atât pe inovaţia organizaţională, cât şi pe cea tehnică
  • Abordarea „integrării sistemelor“
  • Proiectarea de fabrici şi operaţiuni reconfigurabile
  • Un cadru de reglementare favorabil pentru noile fabrici, în special în domeniul ştiinţelor naturale
  • O viziune ce promovează inovaţia şi încurajează talentele în cadrul Regatului Unit
  • Recunoaşterea necesităţii unei schimbări a culturii.

Există o dovadă puternică potrivit căreia politicile regionale pentru crearea fabricilor viitorului încep să câştige teren. De exemplu, conceptul unei abordări modulare „plug and play“ este aplicat în producţia chimică, în cadrul centrului Bayer Technology Services din Germania, centru sprijinit prin finanţare europeană. Marele centru de producţie chimică BASF din Ludwigshafen oferă deja un exemplu de producţie complet integrată, înregistrând un minimum de deşeuri materiale şi energie reziduală.

Este evident că misiunea de a crea aceste fabrici ale viitorului este deja demarată şi că traversăm o perioadă palpitantă şi plină de provocări pentru implementarea lor.

Referințe:
Mavrikios D, Papakostas N, Mourtzis, D, and Chryssolouris G. (2013). On industrial learning and training for the factories of the future: a conceptual, cognitive and technology framework. J.Intell. Manuf. 24, 473.

Dhillon BS. (2014). Human error in maintenance: An investigative study for factories of the future. Materials Science and Engineering. 65, 012031.

Ridgway K, Clegg CW, Williams DJ. (2013). The Factory of the Future. ISBN-13:987-0-9927172-0-9

Secundo G, Passiante G, Romano A şi Moliterni P (2013) Developing the next generation of engineers for intelligent and sustainable manufacturing: A case study. International Journal of Engineering Education 29, 248.

[SFÂRŞIT]

Biografia lui Peter Dobson

Peter este expert de top în producție, materiale avansate şi nanotehnologie. În prezent, este profesor emerit în cadrul Warwick Manufacturing Group al Warwick University şi membru al mai multor comitete şi comisii EPSRC, precum şi consultant în domeniu. Între 2002 şi 2013, a condus Begbroke Science Park din cadrul Oxford University şi a înfiinţat mai multe companii derivate. În 2013, Peter a primit premiul OBE prin care i s-au recunoscut realizările în ştiinţă şi inginerie, în acelaşi an pensionându-se de la Oxford University, unde deţinuse funcţia de Consilier strategic în nanotehnologie pentru Comitetele de cercetare din Regatul Unit (2009-2013).

P J Dobson, BSc, MA (Oxon), PhD, C Phys, F Inst P, Membru al ACS, FRCS.

SKF logo