Cookies på SKFs webbplats

Vi använder cookies för att vara säkra på att ge dig den bästa upplevelsen av våra webbplatser och webbapplikationer. Genom att du fortsätter utan att ändra inställningarna i webbläsaren förutsätter vi att du går med på att ta emot cookies. Du kan dock ändra inställningarna för cookies i webbläsaren när du vill.

Driva framtiden – rapport: Framväxande tekniker och framtida fabriker

2015 februari 04, 09:00 CEST

FÖRFATTARE: Professor Peter J. Dobson OBE, The Queen’s College, Oxford och Warwick Manufacturing Group, University of Warwick.

Det har skett dramatiska förändringar inom tillverkningsvärlden under de senaste två decennierna. Dagar och år med bullriga och smutsiga fabriker som förlitade sig på omoderna verktyg och arbetsmetoder har förpassats till historieböckerna. Till och med när det rör sig om tekniktillverkning i stor skala är arbetsplatsen avsevärt renare och mer välorganiserad. De här förändringarna har i hög grad drivits fram av förbättrad effektivitet, varor av högre kvalitet och kostnadssänkande metoder.

Frågan man nu ställer sig är: Hur kommer framväxande tekniker och framsteg inom traditionell teknik förändra fabrikens utformning och organisation i framtiden? Med den utbredda användningen av informations- och kommunikationsteknik, som skapar en skiftande blandning av tekniker och tillämpningar, håller inställningen till tillverkning redan på att förändras, t.ex. hur man ska utveckla och utbilda arbetskraften i framtiden.

Nya och framväxande tekniker:

Informations- och kommunikationstekniken blir överallt allt viktigare och mer avancerad, och detta passerar inte obemärkt. Processer kan övervakas och styras. Det går nu att följa både inkommande och utgående gods för en tillverkningsprocess, och uppgifterna kan användas för att maximera effektiviteten. Tillståndet hos de maskiner som används i fabrikerna kan övervakas kontinuerligt. Detta kan, och kommer att, ha stor inverkan på arbetet med att sänka underhållskostnaderna och förkorta driftstoppen. Detta bör också minska risken för fel på grund av den mänskliga faktorn (Dhillon 2014).

Själva konstruktionsprocessen har förändrats, och det har skett stora neddragningar av konstruktionspersonal och förändringar i motsvarande infrastruktur. Detta kan leda till ökat arbete hemifrån och specialiserade konstruktionsteam eller företag, som försörjer flera olika tillverkningsenheter. Ingenjörerna kommer oftare att referera till ˮdesignˮ. Detta kommer att bli en del av fler ingenjörsgrenar, och det kommer utan tvekan att ha stor påverkan på utbildningen på alla nivåer.

Av de senast framväxande teknikerna har biotekniken förbättrats tack vare ny utveckling inom system och syntetisk biologi, följt av nanoteknik med sina tillämpningar för material, medicin, energi och andra sektorer. Det går nu att förutsäga att en ny typ av fabrik behövs, som kanske kan skapa och manipulera mänskliga celler.

Bioteknik har på många olika sätt redan börjat ha en plats inom fabriksvärlden, men detta varierar mycket i storlek och omfattning. Medan det å ena sidan redan finns storskaliga verksamheter som förvandlar biogrödor till energi och produkter andra än livsmedel, finns det också småskaliga men ändå mycket högteknologiska fabriker som tar fram rena enzymer, proteiner och biomolekyler för medicinska och andra ändamål. Dessa verksamheter kommer att växa trots allmänhetens oro inför genmanipulation. En gemensam faktor för alla dessa verksamheter är den ökande betydelsen av tväraktivitet och det ökande behovet av kemi- och processingenjörer.

En mycket trolig ny utveckling är utvecklingen av ˮstamcellsfabrikerˮ och senare kanske ˮfabriker för reservdelsorganˮ. Affärsmodellen för dessa och hur de kommer att organiseras och byggas upp återstår dock att bestämma. Bioteknikvärlden är mycket känslig för föroreningar av oönskade mikrobiella, virala och svamporganismer. Därför är god hushållning och renlighet oerhört viktigt, och det utmärkande för de flesta bioteknikfabriker är och kommer att vara mycket rena sterila miljöer, tillsammans med noggrann inneslutning av avfall.

Som för många andra kemiska processer strävar dessa fabriker efter att utnyttja så mycket som möjligt av avfall, inklusive värme och koldioxid för att mata in det i andra processer i fabriken. Inställningen med noll avfall och maximal värmeeffektivitet blir alltmer en del av processingenjörernas tänkande. Ett bra exempel som växer fram är att ta tillvara energin från spillvärme, vätskeflöden eller vibration för att strömförsörja sensorer som nu är mer integrerade i fabriksanläggningen. Detta eliminerar ofta behovet av omfattande kabeldragning till förmån för trådlös telemetri. 

Nanoteknik har förutsättningar att ge mycket stora förbättringar och förändringar inom materialområdet genom ett inkrementellt tillvägagångssätt. Tekniken kan också medföra verkligt omdanande åtgärder inom t.ex. utveckling av lågenergilampor, ny energilagring och energiomvandling samt nanomedicin. Man kommer också att behöva öka takten så att nanopartiklar och andra nanostrukturer kan masstillverkas i noga kontrollerade miljöer och sedan införas i material och produkter. Vi är bara i början av den här resan. Vi känner redan till de möjliga farorna med nanopartiklar som oavsiktligt kan släppas ut i miljön eller på arbetsplatsen. Användningen av dem kommer därför att regleras noggrant, och detta kommer i sig att leda till fördelaktiga nya sätt att reglera avfallsflöden från framtida fabriker. Dessutom måste vi hantera ekonomin när det gäller att införa nya nanokompositmaterial även om vi strävar efter stegvisa förbättringar. I de flesta branscher gäller huvudparadigmen att det är kostnaderna som styr, och marknaden kommer att avgöra om en liten fördel i prestanda kan motivera en ökad tillverkningskostnad. Man kommer att utföra mycket mer detaljerade livscykelanalyser för tillverkningen i framtiden. Detta blir redan uppenbart när det rör kompositmaterial, eftersom det för dessa material är mycket svårt att återskapa de ursprungliga råmaterialen för återvinning. I takt med att resurserna blir knappare kan detta till och med leda till nya koncept för återvinningsanläggningar.

Sektorer där det kommer att behövas nya fabrikskoncept:

Läkemedelssektorn kommer troligtvis snart att genomgå genomgripande förändringar. Många av de traditionella metoderna för att framställa nya läkemedel kommer att finnas kvar, men för att garantera kvalitet och hålla nere kostnaderna, kommer processerna att automatiseras mer och innefatta mer instrumentering. Införandet av nanoteknik för att framställa nya metoder för leverans och diagnos av läkemedel kommer särskilt att leda till stora förändringar i hur produkter tillverkas. Detta kan ske stegvis, genom att man till en början ’förlänger livet’ för de befintliga utformningarna och levererar läkemedlet via nanopartiklar eller nanokapslar. Detta kan speciellt vara fallet för inhalationsläkemedel. Alla sådana nanopartiklar kommer också ha ett ganska avancerat ytlager för ˮmålupptäcktˮ som garanterar att de når rätt mål i kroppen. Det kommer att bli en utmaning att få fabriksprocessen reproducerbar och på ett sätt som tillfredsställer tillsynsmyndigheterna.

Energisektorn kommer att kräva nya tillverkningsmetoder. Nanopartiklar och många bioteknikaspekter kommer att bli centrala för nya metoder för lagring och alstring av energi. De flesta nya framstegen för batterier förlitar sig mycket på utvecklingen av nya material för att lagra och frigöra laddade joner. Detta kräver att nya kolbaserade material, som kan utformas med enorma invändiga ytor, kan integreras i sådana batterier. Drivkrafterna finns inte bara i industrin för hybrid- och elfordon, utan gäller också energilagring i allmänhet, särskilt för de oregelbundna förnybara källorna som vind och sol. Nanopartiklar för katalys kommer också att krävas i alltmer avancerad form. Det finns stora möjligheter till att få katalysatorer och reaktorer att bidra till att omvandla ˮreservelkapacitetˮ till gas, antingen väte genom elektrolys eller fotoelektrolys av vatten, och kanske framställa metan av koldioxid och vatten. Katalysatorer och nya speciella reaktorer kommer också att behövas för omvandling av gas till vätska eftersom, oberoende av om man tycker om det eller inte, kolvätebränslen är ett mycket effektivt sätt att bära energi.



Transport- och fordonsindustrin kommer att ställa mycket utmanande krav på nya material för att minska vikten utan att hållfastheten och integriteten påverkas. Redan idag sker förändringar i fordonen genom övergången från stål till aluminium för att ge lägre vikt, och denna generella förändring kan fortsätta. Kompositmaterialens roll som ersättare för stål är speciellt utmanande på grund av problemet med återvinning som nämndes tidigare. Energi som återvinns från det som för närvarande är spillvärme i både bil- och byggnadssektorn kommer att leda till nya typer av värmepumpar och andra energiomvandlare.

Utbildning:

Det är uppenbart att det finns ett reellt och brådskande behov av att utbilda människor för framtidens fabriker. Det har tagits ett flertal europeiska initiativ, t.ex. Manufacture, och kontrasten mot USA och Japan har sammanfattats på ett bra sätt av Mavrikios m.fl. (2013). Globala trender inom detta område har jämförts och analyserats i en artikel av Secundo m.fl. (2013). Den identifierade framför allt samhällsbehovet av att bevara knappa resurser med hänsyn till klimatförändringarna och minskning av fattigdomen. De identifierar också Manufacture-programmet och IMS2020-programmet som drivs av Europa, Japan, Sydkorea, USA och Schweiz. Programmen behandlar alla dessa frågor och även standardisering, innovation och den mycket viktiga frågan om kompetensutveckling och utbildning.

Storbritannien inrättar t.ex. utbildning på flera nivåer. Man höjer kapaciteten för lära ut färdigheter i ett tidigt skede via lärlingskap, och det finns nya speciella universitetsstödda teknikgymnasier som har inrättats för att förstärka vissa gymnasieskolor. På högre nivåer finns det flera specialiserade center för doktorsutbildningar. Den nuvarande bristen i Storbritannien och på andra ställen ligger i att ta tillvara erfarenheter och att tillhandahålla kurser för fortsatt yrkesutbildning. Uppriktigt sagt behöver detta inte adresseras.

EPSRC har nyligen infört ett mycket målinriktat initiativ för att förbättra utbildning och kunskapsöverföring inom tillverkningsområdet, och det har skapat 16 nya center för innovativ tillverkning. Detta tilhandahållande för forskning och utveckling i de tidiga stadierna med teknikmognadsnivå 1–3 är ett tillägg till det nya initiativet InnovateUK Catapult som täcker de högre teknikmognadsnivåerna. För närvarande finns sju av dessa baserade runtom i landet med en investering på 140 miljoner pund under en sexårsperiod.

En annan synvinkel som inte har nämnts hittills är problemet att hålla våra framtida fabriker funktionsdugliga. Under åren har man infört någon form av tillståndsövervakning eller förebyggande underhåll, framför allt inom flyg- och bilindustrin. I takt med att tillverkningsprocesserna blir alltmer olikartade och automatiserade, kommer det att finnas behov av att förebygga fel i anläggningen och särskilt fel på grund av den mänskliga faktorn. Problemen beskrivs bra i en ny artikel av Dhillon (2014).

Vilka regionala och nationella policyer håller på att tas fram för att hjälpa till i utvecklingen av framtidens fabriker?

Det finns en stor samstämmighet hur denna fråga ska besvaras, och ett gemensamt syfte verkar vara under utveckling.

EU-kommissionen har utfärdat ett dokument på uppdrag av EFFRA (European Factories of the Future research Association): ˮFactories of the Futureˮ som stakar ut en detaljerad vägkarta för sitt Horizon 2020-program. Detta dokument ger en mycket bred överblick och det täcker tekniska, samhälleliga och organisatoriska aspekter.

Den brittiska regeringen har utfärdat ett dokument som en del av sitt Foresight-projekt Future of manufacturing. The Factory of the Future (Ridgeway m.fl. (2013)). Detta dokument rekommenderar:
  • större integration av försörjningskedjor
  • tätare samarbete mellan industrin och de brittiska universiteten
  • fokus på både organisatoriskt och tekniskt nyskapande
  • ett synsätt präglat av systemintegration
  • konstruktion av omkonfigurerbara fabriker och verksamheter
  • gynnsamt regelverk för nya fabriker, framförallt inom livsvetenskap
  • en brittisk vision som främjar innovation och uppmuntrar talangnätverk
  • erkännande att det måste ske en kulturförändring.

Det finns starka bevis på att regionala policyer för att skapa framtidens fabriker börjar ta fart. Konceptet med ett modulärt ”plug and play-synsätt” börjar användas i kemisk tillverkning i Bayer Technology Services' anläggning i Tyskland med ekonomiskt stöd ifrån EU. BASF:s stora anläggning för kemisk tillverkning i Ludwigshafen är redan ett exempel på en helt integrerad tillverkning med minimalt med avfallsmaterial eller spillenergi.

Det är tydligt att uppdraget att skapa dessa framtida fabriker nu finns på plats, och vi kan se fram emot spännande och utmanande tider när de ska införas.

Referenser:
Mavrikios D., Papakostas N., Mourtzis, D. och Chryssolouris G. (2013). On industrial learning and training for the factories of the future: a conceptual, cognitive and technology framework. Journal of Intelligent Manufacturing 24, 473.

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

Ridgway K., Clegg C.W., Williams D.J. (2013). The Factory of the Future. ISBN-13:987-0-9927172-0-9

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

[END]

Om Peter Dobson

Peter är en ledande expert inom tillverkning, avancerade material och nanoteknik. Han är för närvarande Principal Fellow vid Warwick Universitys Warwick Manufacturing Group, och är medlem i flera EPSRC-paneler och kommittéer och utför många konsultuppdrag åt industrin. Från 2002 till 2013 ledde han Begbroke Science Park vid Oxfords universitet, och han har startat ett antal avknoppningsföretag. Peter utnämndes till officer i brittiska imperieorden som ett erkännande av hans tjänster inom naturvetenskap och ingenjörskonst 2013, och samma år slutade han på Oxfords universitet, där han var strategisk rådgivare i nanoteknik till forskningsråden i Storbritannien (2009–2013).

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

SKF logo