Valmistava teollisuus digimurroksessa

Digitaalisessa maailmassa tieto on valtaa ja pääomaa. Tiedon varaan voidaan rakentaa uusia palveluita, tietoa voidaan käyttää nykyisten tuotteiden kehittämiseen tai uusien tuotteiden synnyttämiseen, tiedon avulla opitaan lisää asiakkaasta ja voidaan parantaa nykyisiä asiakassuhteita tai etsiä uusia markkinoita. Perinteisesti valmistavassa teollisuudessa on totuttu myymään koneita ja laitteita. Elinkaaripalvelut kattavat pääsääntöisesti varaosamyynnin ja huoltopalvelut. Digitalisaatio muuttaa totuttuja toimintatapoja, sekä mullistaa liiketoimintaympäristöä ja toimintaa asiakasrajapinnassa.

Dataa on helppo kerätä ja tallentaa, mutta toistaiseksi sitä ei juurikaan hyödynnetä liiketoiminnan tai tuote-, palvelu- ja prosessien kehityksessä. Syynä ovat kerätyn datan hajanaisuus, vaihteleva laatu ja analysointiosaamisen puute. Yritykselle voi olla epäselvää, millaista dataa sillä on hallussaan, tai minkä datan se omistaa itse. Erimitallisia ja eri lähteistä kerättyjä tietoja on vaikea yhdistellä järkevästi. Yritys ei välttämättä tiedä minkä laatuista tai arvoista sen hallussa oleva data on.

Palveluksien muuttaminen palveluliiketoiminnaksi ja digitalisaation hyödyntäminen tässä kehityksessä on valmistavan teollisuuden pk-yrityksissä ajankohtaista. Kokonaisvaltainen muutos digitaaliseen liiketoimintaan ja toisaalta tuotevalmistajasta palveluita tuottavaksi yritykseksi on iso haaste. Muutoksen merkitystä ja vaikutuksia johtamiseen, toimintoihin ja tehtäviin, osaamistarpeisiin ja yhteistyöhön niin yrityksen sisällä kuin verkostoissa on tärkeää pohtia. Tarkasteltavia kysymyksiä ovat muun muassa miten rakenteelliset ja toiminnalliset muutokset sekä uuden osaamisen omaksuminen suunnitellaan ja otetaan haltuun yrityksessä niin, että ihmiset pääsevät muutokseen mukaan ja että muutos voidaan toteuttaa hallitusti. Digitalisaatio ei kuitenkaan ole itsetarkoitus, vaan ratkaisuja on syytä pohtia liiketoiminnan ja asiakkaille tuotetun lisäarvon näkökulmista.

Digitalisaatio tarjoaa myös uusia ratkaisuja ja toimintamalleja tuottavuutta ja läpimenoaikoja kehitettäessä. Suunnittelun ja tuotannon rajapinnassa on hyvä tarkastella 3D-mallien ja digitaalisen tiedon hyödyntämistä maksimaalisesti koko toimitusketjussa. Yritysten ja järjestelmien väliset rajapinnat ovat haasteellisia. On tyypillistä, että digitaalinen tiedonkulku rajapinnoissa katkeaa ja samaa tietoa syötetään eri järjestelmiin useita kertoja. Analysoimalla tiedonkulkua tilaus-toimitusprosessissa saadaan kokonaiskuva tiedonkulun yhtenäisyydestä ja voidaan arvioida puutteellisen tiedonkulun kustannusvaikutuksia kokonaistuottavuuteen.

VTT:n ja Tampereen teknillisen yliopiston Älykkäiden koneiden ja valmistuksen osaamiskeskittymässä (SMACC) on perehdytty valmistavan teollisuuden digitalisaatiohaasteisiin etenkin pk-yritysten näkökulmasta. SMACC:n asiantuntijat ovat kehittäneet työkaluja ja menetelmiä, joiden avulla yritys saa nopeasti kokonaiskuvan digitalisaation tuomista mahdollisuuksista niin liiketoiminnan kuin teknologian näkökulmista sekä selkeän etenemissuunnitelman digiloikkaan ja sen toteuttamiseen käytännössä.

Jyrki_Poikkimaki_2Jyrki Poikkimäki

Asiakaspäällikkö

 

Teollisen 3D-tulostuksen kenttä muuttuu – oletko muutoksessa mukana?

3D-tulostaminen nousi lähes kaikkien tietoisuuteen vuonna 2013, jolloin kuluttajien 3D-tulostus oli Gartnerin niin kutsutun hype-käyrän huipulla. Teknologiaa on kuitenkin taustalla kehitetty jo pitkään. 3D-tulostamisen teollinen hyödyntäminen lisääntyy noin 30 prosentin vuosivauhdilla ja erityisen voimakasta kasvu on ollut metallien tulostamisessa. Teknologian kehittyessä teollinen käyttöönotto laajenee, ja uusia sovelluksia kehitetään koko ajan lisää. Tämän myötä myös suomalaisessa konepajateollisuudessa sekä pk- että suuret kansainväliset yritykset näkevät entistä enemmän uusia mahdollisuuksia 3D-tulostamisen hyödyntämisessä.

3D-tulostuksen portaat

3D-tulostuksen teollinen käyttöönotto noudattaa tyypillisesti kolmiasteista portaikkoa. Ensimmäisessä vaiheessa tulostusta käytetään prototyyppien teossa, nopeuttamassa tuotekehitystä ja parantamassa lopputuotteiden ominaisuuksia. Merkittäviä kustannussäästöjä saavutetaan toiminnallisten mallien avulla, kun mahdolliset suunnittelun puutteet voidaan karsia mahdollisimman varhaisessa vaiheessa. Samalla opitaan lisää teknologian mahdollisuuksista ja rajoituksista. Toisella portaalla valmistetaan työ- ja apuvälineitä lopputuotteiden valmistukseen ja kokoonpanoon. Esimerkiksi muottien ja muotti-inserttien valmistaminen tulostamalla on erittäin mielenkiintoinen vaihtoehto muun muassa sen vuoksi, että tulostetun muotinosan jäädytyskanavisto voi seurata valettavan kappaleen pintaa ja tuottaa siten tehokkaan lämmönhallinnan muotissa, mikä tehostaa tuotantoa. Niin ikään muotin nopea toimitus saattaa olla monesti keskeinen kilpailukykytekijä.  3D-tulostuksen kolmannella portaalla fokus on toiminnallisten lopputuotteiden valmistuksessa.

3D-tulostus lopputuotteiden valmistuksessa

Metallien tulostaminen on vielä suhteellisen kallista johtuen aika hitaasta kasvatusnopeudesta ja kalliista laiteinvestoinneista. Jotta lopputuotteen valmistaminen tulostamalla on taloudellisesti järkevää, teknologian tulee tarjota uusia mahdollisuuksia perinteisiin valmistusmenetelmiin verrattuna. Eräs tällainen etu on kevyet komponenttirakenteet. Tulostuksessa pystytään hyödyntämään lähes täysimittaisesti optimoinnin tuottamat uuden tyyppiset rakenteet, joita on mahdotonta tai erittäin hankalaa valmistaa perinteisin menetelmin. Erityisen kiinnostavaa tämä on ilmailuteollisuudelle, mutta painon vähentäminen voi tuottaa merkittäviä säästöjä monella muullakin sektorilla. VTT:n demonstraatiossa venttiililohko keveni 66 % optimoinnin ja tulostuksen seurauksena. Tulostamalla samaan komponenttiin voidaan liittää useita toimintoja ja vähentää kokoonpanoa, mikä nopeuttaa prosesseja sekä vähentää vaurioalttiiden liitosten määrää lopputuotteessa. Muita hyötyjä ovat muun muassa nopeammat toimitusajat, mahdollisuus yksilöidä tai kustomoida tuote sekä hieman pitemmällä tähtäimellä hajautettu tarpeen mukainen valmistus. VTT tekee tutkimusta ja kehitystä yhdessä yritysten kanssa liittyen näihin uusiin mahdollisuuksiin. Käynnissä on esimerkiksi projekti, jossa selvitetään digitaalisten varaosien käyttöön liittyvää teknologista ja liiketaloudellista potentiaalia.

Kenttä muuttuu fuusioiden ja yhteistyön myötä

Viimeisten vuosien aikana olemme kuulleet maailmalta uutisia merkittävistä kansallisista panostuksista 3D-tulostuksen kehittämiseen ja hyödyntämiseen. Esimerkkeinä mainittakoon vaikkapa USA:n America Makes -instituutti ja Singaporen merkittävät panostukset teknologiaan. Laitevalmistajien kentässä on myös tapahtunut fuusioitumisia ja uusia, entistä isompia toimijoita on tullut mukaan kilpailuun. Muovien tulostamisen osalta on mielenkiintoista seurata, mitä kansainvälisten jättien kuten Hewlet-Packardin ja Canonin mukaantulo tälle kentällä tuo tullessaan. Metallien tulostamisen osalta General Electricin tuore ilmoitus aikeista ostaa sekä saksalainen SLM Solutions että ruotsalainen Arcam tulee muuttamaan kenttää varmasti, mutta mitä muutokset tarkoittavat käytännössä jää vielä nähtäväksi. Ostoaie kertoo vahvaa viestiä kyseisen suuryrityksen näkemyksistä teknologian strategisesta merkityksestä.

Myös Suomessa tapahtuu. VTT:n 3D-tulostukseen liittyvät laitteistot saivat juuri uudet tilat Espoon Otaniemestä Aalto-yliopiston vastaavien tilojen yhteydestä. VTT tarjoaa asiakkailleen metallien tulostamisen koko valmistusketjun alkaen räätälöidyn jauheen atomisoinnista ja komponentin suunnittelusta ja optimoinnista päättyen valmiin komponentin viimeistelyyn ja testaukseen. Erityisesti pk-yrityksiä palveleva Älykkäiden koneiden ja valmistuksen osaamiskeskittymä, SMACC yhdistää VTT:n ja Tampereen teknillisen yliopiston (TUT) korkeatasoisen valmistusteknisen tutkimusosaamisen helposti lähestyttäväksi yhden luukun periaatteella. VTT tekee 3D-tulostuksen saralla tiivistä tutkimusyhteistyötä myös Aalto-yliopiston kanssa tavoitteenaan palvella asiakaskuntaa entistä laajemmin.

pasi_puukko

Pasi Puukko

Tutkimustiimin päällikkö

Mikä on suomalaisen pk-yrityksen arki 2020 -luvulla? – Osa 5: muutos on jo käynnissä

Mitkä ovat tulevaisuuden markkinat suomalaisille valmistavan teollisuuden pk-yrityksille ensi vuosikymmenellä? Minkälaisia tuotteita tarvitaan tulevaisuudessa? Minkälaiset liiketoimintamallit luovat onnistumisen?

VTT teki viime vuonna For Industry -kärkiohjelmassaan ennakointitutkimuksen ja loi neljä vaihtoehtoista skenaariota yhteistyössä pk-teollisuuden yrittäjien ja johdon kanssa. Monesti tällaiset työt herättävät yleisössä mielenkiintoa vain hetken, jonka jälkeen raportit päätyvät arkistoon pölyttymään. Tässä tapauksessa näin ole käynyt, vaan tutkimuksen synnyttämä ”pöhinä” on edelleen käynnissä.

Pysähdyin miettimään, miksi tämä työ herättää yrityskentässä edelleen mielenkiintoa? Kenties työn kysymykset eivät käsittelekään jossain kaukana tulevaisuudessa (siis 2020-luvulla) olevia asioita vaan ne ovat ajankohtaisia monelle yritykselle jo nyt.

Skenaarioiden maailmat eivät olekaan niin etäisiä

Tutkimus loi neljä skenaariota nimiltään globaali kasvu, paikallinen kasvu, globaali niukkuus ja paikallinen niukkuus. Sanapari globaali–paikallinen viittaa valmistuksen ja markkinoiden arvoketjuihin: ovatko ne globaaleja vai paikallisia. Sanapari kasvu–niukkuus taas viittaa markkinoihin: onko siellä ajurina taloudellinen kasvu vai tuotannontekijöiden niukkuus. Kun skenaarioita lähdettiin vuosi sitten rakentamaan, elettiin vahvasti globaalin kasvun maailmassa. Esimerkiksi paikallisen niukkuuden skenaario, jossa Euroopan ympärille ja jopa sen sisälle on pystytetty ihmisten ja tavaroiden liikkumista voimakkaasti rajoittavia aitoja, tuntui hyvin etäiseltä ajatukselta. Tänään ajatus paikallisen niukkuuden maailmasta ei enää tunnu yhtään mahdottomalta eikä etäiseltä. Vastaavia merkkejä on havaittavissa myös muidenkin skenaariomaailmojen osalta. Vielä on mahdotonta sanoa, minne maailma on menossa. Muutos menneestä tulevaan on kuitenkin jo käynnissä!

 

neljä_skenaariota

Tässä blogikirjoituksessa haluan vielä nostaa esille kaksi asiaa, jotka ovat yrityksen menestyksen kannalta tärkeitä jokaisessa skenaariossa: digitalisaatio ja oma tuote. Nämä molemmat tuotiin ennakointitutkimuksen raportissa esille, mutta niiden tärkeyttä tuskin voi korostaa liikaa.

Transformaatio digitaaliseen maailmaan

Lähes kaikki puhuvat tällä hetkellä digitalisaatiosta, mutta vain harva on aidosti oivaltanut sen, kuinka suuresta transformaatiosta oikeastaan on kyse. Monelle digitalisaatio merkitsee lähinnä digitaaliteknologian integroimista tuotteisiin ja prosesseihin. Tämä itsessään ei vielä edusta digitaalista transformaatiota ja harvoin se itsessään edes riittää liiketoiminnallisen menestyksen tuomiseen yritykselle. Siihen tarvitaan teknologian lisäksi näkemys siitä, miten teknologian tuottamaa informaatiota hyödynnetään yritykselle ja sen asiakkaille arvoa tuottavalla tavalla, sekä näkemys siihen, miten kaiken tämän tulisi muuttaa yrityksen liiketoimintamallia ja liiketoimintaprosesseja. Vasta kun nämä kolme näkökulmaa – teknologia, informaatio ja liiketoiminta – on huomioitu yhdessä, digitalisaation liiketoiminnalliset hyödyt on aidosti mahdollista saavuttaa.

Oma tuote on välttämättömyys

Kaikki neljä skenaariota korostavat sitä, että menestyäkseen tulevaisuuden markkinoilla yrityksellä tulee olla oma tuote. Suomalaisen yrityksen on vaikea menestyä tulevaisuudessa puhtaasti alihankkijan roolissa olevana ns. resurssitalona. Tämä ei kuitenkaan tarkoita sitä, etteikö yritys voisi vastaisuudessakin toimia myös alihankkijana. Se voi aivan hyvin tuoda tulevaisuudessakin osan yrityksen liikevaihdosta, mutta sen rinnalla yrityksellä tulee olla oma tuote tai tuotteita. Tätä portfolioajattelua ei raportissa erikseen mainittu, vaikka se taustalla olikin ajatuksena olemassa. Se, millaisilla tuotteilla tai palveluilla tulevaisuudessa sitten menestytään, riippuu jossain määrin skenaariosta. Pelkkä oma tuote ei myöskään itsessään riitä menestykseen. Ratkaisevan tärkeää menestykselle on se, miten tuote on konseptoitu ja millaisella liiketoimintamallilla se tuodaan markkinoille. Koska menestystuotteita harvoin synnytetään tyhjästä, yrityksen tulee varautua ajoissa tulevaisuuteen ja lähteä miettimään omia menestyskonseptejaan jo nyt.

Tutkimuksen loppuraportti oli alun perin englanninkielinen, mutta monien toivomuksesta loppuraportti on nyt julkaistu myös suomeksi. Voit ladata suomenkielisen raportin tästä. Työn pohjalta ollaan järjestämässä uutta yritysseminaaria. Kutsu seminaariin löytyy täältä. Pöhinä jatkuu, koska muutos on jo käynnissä.

Jaakko Paasi

Jaakko Paasi

Johtava tutkija

For Industry –ohjelman Business Models –moduulin vetäjä

Interactive robotics – the key to small series production?

Over the past couple of years, robotics has frequently made the headlines.  For example, Frost & Sullivan have listed robotics as one of the future megatrends. It is expected to gain a similar position as the Internet. The expectations of robotics are high, particularly in terms of its ability to increase efficiency in European and Finnish manufacturing.

Robotics to promote European manufacturing

Attitudes to robotics in production are contradictory: on the one hand, manufacturing is expected to get a boost in efficiency, but on the other hand, there are fears that jobs will be lost. However, more efficient production can mean the preservation of current jobs, the creation of new ones and a change in the nature of work in a more technical direction. Robotics can thus help European manufacturing to survive in the face of the competition from lower-cost countries.

Industrial robots and humans

In industrial robotics, cooperation between humans and robots is a new phenomenon that is referred to using terms such as interactive robotics, collaborative robotics or human–robot interaction. They all mean that a human and robot work simultaneously within the same space. The human can even be in physical contact with the robot. Interaction makes it possible to effectively utilise human perception abilities and powers of reasoning.

New standards as an enabler

The introduction of interactive robotics in industry has now been made possible by new safety standards for robots, ISO/TS 15066 in particular. It identifies four types of collaborative operations: safety-rated monitored stop, hand guiding, speed and separation monitoring, and power and force limiting. Within these categories, robots no longer need to be isolated from their operating environment in e.g. cages.  When a robot is performing an automatic task, a human approaching or even entering its workspace does not have to trigger an emergency stop – reducing speed and, if necessary, stopping movement is enough. When the human has left the space, the robot can continue operating as usual. Moreover, if the force exerted by the robot is sufficiently small and the robot reacts to contact, it can operate alongside humans. Possible dangerous situations caused by the robot tool must naturally be taken into account.

From a future concept to agile small series production

It took quite a while before technology – and standards in particular – developed to the level required by practical applications. Professor Aarne Halme, who at the time worked for the University of Oulu and later became a long-time Professor of Automation Technology at the Helsinki University of Technology and a prominent figure in the field of robotics in Finland, introduced interactive robotics as early as the beginning of the 1980s. I myself used the heading of this article as the title of my conference presentation in 1987. Today, interactive robotics accelerates production and increases efficiency. It makes the programming of tasks faster and enables the automatic or semi-automatic execution of production tasks.  These issues are of key importance in agile small series production, in which new goods are continuously put into production and batches of a few items or even single items are common.

Inexpensive force-limited robots

Several force-limited robot models – lightweight desktop robots – have been brought to the market whose accuracy is measured in hundreds of a millimetre at best. These robots can cost less than €20,000, meaning that investing in a robot now involves much less costs than before. Thanks to power and force limiting, cages are not needed to ensure safety. However, force-limited robots run at significantly lower speeds than regular industrial robots. Additionally, due to the less expensive materials and components used, their effective working hours can fall short of those of regular robots.

VTT's control stick enables faster teaching of paths

VTT’s control handle enables faster teaching of paths

Teaching a robot

In interactive robotics, a human interprets the environment for a robot and its sensors by pointing with a device or by using simple marking methods such as identifiers. The human tells the robot what the environment contains and, for example, which surface of a workpiece must be polished. The robot’s paths can also be programmed by showing the robot where to pick up and drop off a piece, or by teaching, for example, polishing paths with a tool attached to the robot and in contact with the workpiece. This can also be done without saving the robot’s path points, in which case the robot can be used as a skilful assisting device for moving heavy items. Heavy objects can even be assembled using this method. The human operator grabs the robot’s wrist or a control handle attached to the load and guides the robot to pick up the object and drop it off at the destination. In the interactive handling of objects or teaching of paths, it is essential that the robot is equipped with a sensor that recognises forces and with corresponding force/torque control.

VTT is a pioneer in interactive robotics

Technologies related to interactive robotics feature strongly on VTT’s robotics agenda. We have developed methods and wireless technologies for the observation and recognition of objects and humans, and have integrated these into the controls of robots and robot systems in order to provide flexibility and safety. Interactive robotics is a promising starting point for the needs of automation in small series production. VTT is ready to tackle challenges put forward by companies.

Tapio

Tapio Heikkilä

Principal Scientist

Vuorovaikutteinen robotiikka – avain piensarjatuotannon automaatio-ongelmiin?

Robotiikka on ollut voimakkaasti otsikoissa viimeisen parin vuoden aikana.  Esimerkiksi Frost & Sullivan on listannut robotiikan yhdeksi tulevista megatrendeistä. Robotiikan odotetaan kehittyvän samanlaiseen asemaan kuin internet. Odotukset robotiikalta ovat kovat erityisesti eurooppalaisen ja kotimaisen valmistavan tuotannon tehostajana.

Robotiikan avulla eurooppalaista tuotantoa

Robotiikkaan tuotannossa suhtaudutaan kaksijakoisesti – toisaalta odotetaan paljon tuotannon tehostumista, mutta toisaalta pelätään työpaikkojen vähenemistä. Robotiikan avulla tuotannon tehostaminen ei tarkoita työpaikkojen katoamista vaan tehostuneen tuotannon myötä työpaikat voivat säilyä, uusia muodostua ja lisäksi työn luonne muuttuu teknisemmäksi. Robotiikka siis mahdollistaa myös tulevaisuudessa eurooppalaisen tuotannon alhaisempien työkustannusten maiden tuoman kilpailun paineessa.

Teollisuusrobotti ja ihminen

Teollisuusrobotiikassa on noussut esille uutena ilmiönä ihmisen ja robotin yhteistyö termeillä vuorovaikutteinen robotiikka, kollaboratiivinen robotiikka tai interaktiivinen robotiikka. Nämä tarkoittavat ihmisen ja robotin työskentelyä yhtä aikaa ja samassa työtilassa. Ihminen voi olla jopa fyysisessä kontaktissa robotin kanssa. Vuorovaikutteisuudella ihmisen hahmottamis- ja päättelykykyä saadaan hyödynnettyä tehokkaasti.

Uudet standardit mahdollistajana

Vuorovaikutteisen robotiikan vienti teollisuuden käytäntöön on tullut mahdolliseksi uusien robotiikan turvastandardien myötä, joista voidaan poimia erityisesti ISO/TS 15066. Se luokittelee vuorovaikutteiset toiminnot neljään kategoriaan: turvaluokiteltu valvottu pysäytys, käsin ohjaaminen, nopeuden & etäisyyden seuranta ja tehon & voiman rajoitus. Näiden puitteissa robottia ei enää tarvitse eristää muusta toimintaympäristöstä esimerkiksi häkkeihin.  Robotin suorittaessa automaattista ohjelmaansa ihmisen tulo robotin työalueen läheisyyteen tai jopa työalueelle ei tarvitse johtaa robotin ohjelman hätä-seis -pysäytykseen vaan liikenopeuksien alentamiseen ja tarvittaessa pysäyttämiseen. Ihmisen poistuessa alueelta robotti voi jatkaa toimintaansa normaalisti. Lisäksi jos robotin voimantuotto on riittävän pieni ja se reagoi kosketukseen ja törmäyksiin, se voi sellaisenaan toimia samassa työtilassa ihmisten kanssa. Toki on huomioitava robotin työkalun mahdollisesti aiheuttamat vaaratilanteet.

Tulevaisuuden konseptista ketterään piensarjatuotantoon

Paljon täytyi aikaa kulua ennen kuin teknologia ja erityisesti standardit kehittyivät käytännön edellyttämälle tasolle. Profesori Aarne Halme, silloin Oulun yliopistossa toimiessaan ja myöhemmin Teknillisessä Korkeakoulussa automaatiotekniikan professorina pitkään toiminut kotimainen robotiikan merkkihenkilö, esitteli vuorovaikutteisen robotiikan jo 80-luvun alkupuolella. Itse käytin tämän kirjoituksen otsikkoa konferenssiesitelmäni otsikkona vuonna 1987. Nyt vuorovaikutteinen robotiikka nopeuttaa ja tehostaa tuotantoa. Työtehtävien ohjelmointi on nopeampaa ja automaattinen tai puoliautomaattinen ohjelmien suorittaminen mahdollista.  Nämä ovat keskeisiä tekijöitä ketterässä piensarjatuotannossa, missä uusia tuotteita otetaan tuotantoon jatkuvasti ja sarjakoko on muutaman kappaleen luokkaa tai jopa yksi.

Edulliset voimarajoitteiset robotit

Markkinoille on tullut useita voimarajoitteisia robottimalleja, kevyitä niin kutsuttuja desktop- robotteja, joiden toistotarkkuus on parhaillaan millin sadasosien luokkaa. Näiden robottien hinta voi olla jopa alle 20000 euroa. Tämä tarjoaa mahdollisuuden robotti-investointiin huomattavasti aiempaan alemmilla kustannuksilla. Voimarajoituksen takia robottia ei tarvitse turvallisuussyistä eristää häkkiin. Näiden voimarajoitteisten robottien nopeudet ovat kuitenkin selkeästi perinteisiä teollisuusrobotteja alhaisempia. Lisäksi edullisemmista materiaali- ja komponenttiratkaisuista johtuen, niiden teholliset käyttötunnit voivat jäädä perinteisiä teollisuusrobotteja alhaisemmiksi.

Robotti_opettaminen

VTT:n kehittämän voimaohjaussauvan avulla ratojen opettaminen on nopeaa

Robotin opettaminen

Vuorovaikutteisessa robotiikassa ihminen tulkitsee robotille ja sen sensoreille ympäristöä osoitinlaitteella osoittamalla tai yksinkertaisilla merkkausmenetelmillä kuten tunnistetarroilla. Ihminen kertoo robotille mikä ympäristössä on mitäkin ja esimerkiksi mikä on robotin kohdekappaleen hiottava pinta. Robotin ratojen ohjelmointi voidaan tehdä myös näyttämällä radat suoraan robottia taluttamalla kappaleiden tartunta- ja irrotuspisteisiin, tai näyttämällä käsittelyradat kuten esimerkiksi hiontaradat työkalu robottiin kiinnitettynä ja kontaktissa kappaleeseen. Tämä voidaan tehdä myös tallentamatta robotin ratapisteitä, jolloin erityisesti raskaiden kappaleiden siirtelyssä robotti toimii tällöin taitavana kuormankannattimena. Jopa raskaiden kappaleiden kokoonpano on mahdollista samalla periaatteella. Ihmisoperaattori tarttuu robotin ranteeseen tai siirrettävään taakkaan kiinnitetystä ohjauskahvasta ja taluttaa robotin tarttumaan kappaleeseen ja kohdepaikkaan irrottamaan kappaleen. Vuorovaikutteisessa kappaleiden käsittelyssä tai ratojen opetuksessa on välttämätöntä, että robotti on varustettu kontaktivoimat tunnistavalla anturilla ja vastaavalla voima-/momenttisäädöllä.

VTT vuorovaikutteisen robotiikan edelläkävijä

Vuorovaikutteiseen robotiikkaan liittyvät teknologiat ovat vahvasti esillä VTT:n robotiikka-agendassa. Kappaleiden ja ihmisten havainnointiin ja tunnistamiseen on kehitetty menetelmiä ja langattomia teknologioita, joita on liitetty robottien ja robottijärjestelmien ohjaukseen tuottamaan joustavuutta ja turvallisuutta. Vuorovaikutteinen robotiikka on lupaava lähtökohta joustavan piensarjantuotannon automaatioon tarpeisiin. VTT on valmiina vastaamaan yritysten asettamiin haasteisiin.

Tapio

 

Tapio Heikkilä

Johtava tutkija

Miten kitkaa ja kulumista voidaan vielä vähentää?

Insinööri haluaisi suunnitella kitkattoman ja kulumattoman koneen. Todellisuudessa esteinä ovat käytössä olevat materiaalit, käyttöolosuhteet ja laitteilta vaadittavat tehokkuudet. Kitkaa ja kulumista voidaan alentaa uusilla pinnoitteilla ja voiteluaineilla. Tutkimusalaa, jossa tutkitaan kitkaa kulumista ja voiteluua, kutsutaan tribologiaksi. Tällä hetkellä tutkitaan erityisesti uusia nanomateriaaleja, lisäaineita sekä digitaalista materiaalimallinnusta.

Kitka ja kuluminen – iso kuluerä teollisuudelle

Harvemmin tulee mietittyä paljonko käytetystä energiasta kuluu kitkan voittamiseen ja paljonko energiaa voitaisiin säästää uusilla teknologisilla ratkaisuilla eri koneissa. Professori Kenneth Holmbergin tutkimuksissa1 havaittiin, että paperikoneissa merkittävä osa (32 %) energiasta kuluu kitkahäviöihin, joita syntyy muun muassa laakereissa, hammaspyörissä ja eristeissä. Paperikoneet eivät ole poikkeus vaan samat ongelmat ovat myös muissa koneissa, joissa on liikkuvia komponentteja. Kulumiskestävyydelle haastavimpia tilanteita ovat ns. rajavoitelutilanteet, jolloin voitelukalvo ohenee aiheuttaen pintojen välisiä kontakteja. Näistä kontakteista vauriot lähtevät herkemmin liikkeelle. Rajavoitelutilanteen ongelmia voidaan ratkoa erilaisilla tribologisilla ohutpinnoitteilla tai voiteluaineilla sekä uusilla paremmin kulumista kestävillä nanomateriaaleilla.

Kitkan alentaminen

No pystytäänkö kitkaa ja kulumista sitten alentamaan nykyisestä tasosta? Tällä hetkellä voisi karkeasti sanoa, että kitkakerroin öljyvoidellussa rajavoitelutilanteessa metalli-metallikontaktissa on 0.1. Kitkan ja kulumisen alentamiseksi esimerkiksi teollisissa prosesseissa ja koneissa on kehitetty pinnoitteita, pinnan teksturointitekniikoita ja uusia voiteluaineita sekä niiden lisäaineita. Tutkimusmaailmassa näitä kaikkia kehitetään jatkuvasti ja saavutetaan aina vain alhaisempia ja alhaisempia kitkan ja kulumisen arvoja. Laboratorio-olosuhteissa on saavutettu jo reilusti alle 0.01 kitkakertoimia, mutta laboratoriosta on pitkä matka kaupalliseksi tuotteeksi. Syynä on esimerkiksi se, että eri materiaalit käyttäytyvät hyvin eri tavalla eri olosuhteissa tai kuormitustilanteissa. On haasteellista löytää yhtä materiaalia, joka pystyisi täyttämään korkeat vaatimukset kaikissa olosuhteissa. Sen vuoksi joudutaan usein valitsemaan ns. keskitie kun valitaan alhaisen kitkan ja kulumiskestävyyden välillä. Toisaalta jotkut materiaalit kuten timantinkaltaiset hiilipinnoitteet (DLC) omaavat molemmat ominaisuudet, mutta niidenkin ominaisuudet riippuvat jossain määrin olosuhteista. Yleistäen voisi sanoa, että normaalilämpötilassa kitka- ja kulumisongelmat ovat suurimmaksi osaksi ratkaistuja ja haasteet ovat syntyneet korkeisiin ja mataliin lämpötiloihin sekä raskaasti kuormitettuihin kohteisiin.

Biovoitelu

Yksi mielenkiintoinen lähestymiskulma kitkan ja kulumisen alentamiseksi on ottaa oppia luonnosta. Luonnossa, kuten nisäkkäiden nivelissä, saavutetaan kitkakertoimia jotka ovat reilusti kertaluokkaa alhaisempia öljyvoideltuihin mekaanisiin kontakteihin verrattuna. Lisäksi kulumiskestävyyttäkin on useammaksi kymmeneksi vuodeksi, vaikka voitelu on vesipohjaista, toisin kuin insinöörisovelluksissa. VTT on tutkinut erilaisten bio- ja vesipohjaisten voiteluaineiden toimivuutta muun muassa metallimateriaalien voitelussa. Esimerkiksi sienissä syntyvillä proteiineilla pystytään alentamaan kitkaa vesivoidelluissa kontakteissa merkittävästi verrattuna öljyvoiteluun. Valmiita ratkaisuja biovoitelupuolella teollisuudelle ei vielä ole pystytty kehittämään. Tulevaisuus näyttää voidellaanko esimerkiksi jotain koneen osia tulevaisuudessa vedellä öljyn sijaan.

Materiaalimallinnuksella ratkaisuja kulumisongelmiin?

Kitka ei ole aina harmi vaan myös osien kuluminen vaikuttaa tehtaiden ja koneiden tuottavuuteen. Kuluvat osat aiheuttavat esimerkiksi tehtaiden seisokkeja, kun koneenosia joudutaan vaihtamaan. Materiaalin kuluminen on usein erittäin monimutkainen prosessi, johon vaikuttavat monet tekijät. Usein kulumiseen vaikuttaa kuormituksen ja olosuhteiden lisäksi materiaalin mikrorakenne. Materiaalimallinnukseen VTT on kehittänyt VTT Propertune® menetelmän, joka mahdollistaa materiaalin kulumisen tutkimisen tietokonemallinnuksen ja simuloinnin avulla. Menetelmä perustuu materiaalin mikrorakenteen ja sen käyttäytymisen ymmärtämiseen erilaisissa kuormitustilanteissa. Mallinnuksen avulla pystytään tutkimaan uuden materiaalin soveltuvuutta koneenosiin ennen osan valmistamista ja laajamittaista testausta. Lisäksi mallintamisen avulla pystytään ymmärtämään mistä vauriot johtuvat ja millaisilla materiaaliratkaisuilla ne pystyttäisiin välttämään. Mallinnusta pystytään soveltamaan erilaisille materiaaleille kuten metalleille, komposiiteille, muoveille ja pinnoitteille.

VTT on aktiivinen kitka- ja kulumistutkimuksessa

VTT:llä on lähes neljänkymmenen vuoden kokemus tribologian tutkimuksessa ja uusia tutkimustuloksia julkaistaan jatkuvasti tieteellisissä lehdissä ja konferensseissa. Tänä vuonna VTT järjestää yhdessä Suomen Tribologiayhdistyksen kanssa kesäkuussa Nordtrib-konferenssin. Nordtrib on pohjoismaalainen tribologia (kitka, kuluminen, voitelu) – alan konferenssi, joka kokoaa yhteen lähes parisataa tutkijaa ja teollisuuden edustajaa joka toinen vuosi johonkin Pohjoismaahan. Tänä vuonna konferenssin aihealueisiin kuuluvat kitka, kuluminen ja voitelu muun muassa teollisuus-, avomeri- sekä lääketieteellisissä sovelluksissa. Aihealueet sisältävät sekä uusien materiaalien kehitystä, että kitkaan ja kulumiseen vaikuttavien ilmiöiden ymmärtämistä perinteisten tutkimusmenetelmien ja mallintamisen avulla.

Kuva_Timo HakalaTimo Hakala

Tutkija

 

 

 

 

 

 

1) Kenneth Holmberg, Roope Siilasto, Tarja Laitinen, Peter Andersson, Ari Jäsberg, Global energy consumption due to friction in paper machines, Tribology International, Volume 62, June 2013, Pages 58-77

Osaammeko luoda kasvua kumppanuuksista?

Yritysten välisen yhteistyön helpoimmaksi muodoksi ajatellaan usein kahden yrityksen välistä suhdetta – kumppanuutta. Kauniista visioista ja puheista huolimatta sitä se ei välttämättä kuitenkaan ole. Kokemustemme mukaan itsenäisten yritysten sitoutuminen pitkäjänteiseen, syvälliseen yhteistyöhön yhteisten tavoitteiden ja siitä syntyvien liiketoimintahyötyjen saavuttamiseksi ei ole koskaan mutkatonta. Tiedämmekö tosiasiassa mitkä ovat tasaveroisen kumppanuuden edellytykset? Miten kumppanuuksia voidaan käytännössä rakentaa? Millaisia tukirakenteita kehitystyössä tarvitaan? Mitä asioita pitää varautua pohtimaan?

Yritysten välisen kumppanuuden rakentaminen vaatii osapuolilta luottamusta, vuorovaikutusta, uuden oppimista ja myös jostakin luopumista. Kokemustemme mukaan kumppanuuden kehittäminen vaatii tietoisia strategisia valintoja, joissa lähtökohtana on yhteinen tahtotila ja ponnistelu yhdessä asetettujen päämäärien puolesta. Saimme olla mukana kun Fastems ja JTA Connection päättivät keväällä 2014 yksissä tuumin lähteä kehittämään yhteistyösuhdettaan pienimuotoisesta resurssialihankinnasta määrätietoisesti kohti strategisempaa ja tasavertaista yhteistyösuhdetta. Kumppanuushanke toteutettiin osana Tampere Business Campuksen koordinoimaa ja Tekesin rahoittamaa rinnakkaisprojektia. Me VTT:n tutkijat toimimme projektissa yhteiskehittämistä tukevina fasilitaattoreina ja sillanrakentajina.

Aseta kumppanuuden tavoitteet

Kumppanuuden keskeisin tavoite on synnyttää merkittävää uutta liiketoimintaa ja hyötyjä molemmille osapuolille. Tavoitteisiin pääsy edellyttää tekemisten sisältöjen ja prosessien uudistamista esimerkiksi prosesseja digitalisoimalla, jotta pystytään tuottamaan asiakkaille mitattavia hyötyjä kustannustehokkaasti.  Kumppanuuksissa bisnestavoitteiden saavuttaminen edellyttää huolellista ennakkosuunnittelua ja toimituskyvyn skaalaamista sekä kapasiteetin että osaamisen suhteen. Ellei yhteistyö ole tuttua, tärkeää on myös totuttaa osapuolet ja ihmiset toimimaan verkostoituneesti, missä useampi toimija osallistuu asiakasratkaisun tuottamiseen joustavasti eri organisaatiotasoilla.

”Kumppanuus tarkoittaa yritysten keskinäistä organisoitumista, joka palvelee yhteisten päämäärien saavuttamista”

Rakenna kumppanuudet huolella

Yritysten välinen kumppanuus ei synny nimittämällä löyhästi kumppanuuteen liittyvää tekemistä kumppanuusprojektiksi. Jokaisessa uudessa kumppanuudessa on edessä uusi ja ainutkertainen tilanne, jossa aikaisemmat kokemukset ja käytetyt mallit eivät sellaisenaan takaa hyvää lopputulosta. Kumppanuusprojektit on suunniteltava ja toteutettava tavoitteellisesti ja määrätietoisesti osapuolten omien erityisten lähtökohtiensa mukaisesti räätälöityinä liiketoiminnan kehitysprojekteina. Etenemisen ja tuloksellisuuden kannalta on eduksi se, että hankkeissa on mukana osaava neutraali ulkopuolinen asiantuntija fasilitaattorina ja sillanrakentajana. Olemme rakentaneet kumppanuusprojektin neljän työpaketin muotoon:

  1. Liiketoimintasuhteen nykytilan, toimintamallien, osaamisten ja kasvumahdollisuuksien analyysi
  2. Liiketoimintamallin, yhteistyöstrategian ja prosessien muodostaminen
  3. Toimintatapojen pilotointi ja arviointi todellisissa asiakasprojekteissa
  4. Toimintatapojen vakiinnuttaminen ja jatkuva parantaminen

Ensin tunnistetaan yhteistyön lähtötilanne, hahmotellaan mahdollisia liiketoimintaideoita ja käsitellään vastavuoroisesti yhteistyön syventämisessä tarvittavat resurssit, jaettava ja hankittava osaaminen sekä erityiset kyvykkyydet, esimerkiksi se miten tekemiseen saadaan resurssitehokkuutta, virtausta ja asiakaslähtöisyyttä uudella tavalla. Alussa arvioidaan yritysten välisten sidosten nykytilanne sekä toimintatapojen, prosessien ja toimintakulttuurien yhteensopivuus.

Neljä sidosta

Kumppanuudessa yritysten välille muodostuvan neljän toisiaan täydentävän sidoksen merkitys on ymmärrettävä ja sisäistettävä. Sidokset ovat vaihdannan sidos, strateginen sidos, rakenteellinen sidos ja sosiaalinen sidos. Mielestämme hyvässä kumppanuudessa tarvitaan näitä kaikkia, ja lopputulos syntyy niiden kertolaskuna: olemassa oleva liiketoiminta (yhteistyöhistoria!), yhteinen tahtotila ja päämäärät, yhtenäiset rakenteet ja toimintatavat sekä yhteistyö ihmisten välillä. Jos yksikin näistä sidoksista puuttuu, kumppanuus ei tule onnistumaan.

Yhdessä toimineiden yritysten on helppo ideoita jopa kymmeniä uusia businessideoita. Kaikki ideat tuodaan yhteiseen pöytään, niitä arvioidaan ja parhaimmat valitaan jatkokäsittelyyn. Ensin vain pari kolme jalostetaan yksityiskohtaisemmiksi liiketoimintamalleiksi.  Myös tässä vaiheessa katsotaan ja yhdistetään osaamisia ja prosesseja niin että päästään varmasti kaikkien kannalta parempiin lopputuloksiin.

Pilotoi

Kumppanuuden kehitysprojekti on puolivalmis ilman suunnitelmien viemistä käytäntöön. Fastemsin ja JTA Connectionin kehitysprojektissa tekemistä harjoiteltiin toteuttamalla todelliset pilottitoimitukset Saksaan, Ranskaan ja Itävaltaan. Pilottitoimituksista keräsimme kokemukset talteen sekä dokumentoimme ja arvioimme ne huolellisesti.  Piloteilla yritykset pääsivät hyvään vauhtiin ja uutta tekemistä on tiedossa runsaasti. Fastemsin Esa Karppi ja JTA Connectionin Timo Ahonen olivat samaa mieltä kumppanuuden reseptistä: ensin tahtotila kirkkaaksi, sen jälkeen osaaminen jakoon, sitten kontaktipinnat kuntoon sekä prosessit virtaviivaisiksi.  Lopuksi dokumentoimme kumppanuuden rakentamismallin työkirjaksi, jolla voidaan tehostaa uusien kumppanuuksien rakentamista.

Ismo_ja_TapioIsmo Ruohomäki, erikoistutkija

Tapio Koivisto, erikoistutkija