Výroba strojů je jedním z tahounů české průmyslové produkce a strojírenské firmy zaměstnávají více než pětinu všech pracovníků v průmyslu. Průmyslová produkce v hlavních strojírenských kategoriích podle údajů ČSÚ od roku 2010 setrvale roste, podobně v posledních letech roste počet zaměstnanců ve strojírenství. Vypadá to jako idyla? Ne tak docela. Právě zaměstnanci jsou hlavním omezujícím faktorem současných výkonů strojírenských firem. Rekordní zaměstnanost a nedostatek pracovníků v Česku způsobují problémy prakticky ve všech oborech, strojaře nevyjímaje. Podniky si stěžují, že mají zakázky, dostatečné technické výrobní kapacity či zdroje na investice, ale stroje nemá kdo obsluhovat.

To je jedním z důvodů, proč strojírenské firmy v posledních letech více sází na automatizaci. Rychlost zavádění automatizace za normálních okolností určuje bilance ceny investice do automatizovaného zařízení a nákladů na pracovníky. Doba návratnosti investice musí být ve většině firem poměrně krátká, obvykle do dvou let. To se ale mění, jestliže vstupuje do hry nedostatek pracovníků. "Pokud jsou roční náklady firmy na pracovníka 350 tisíc korun a jeho práci je možno automatizovat robotem s příslušenstvím za pořizovací investici 1,2 milionu korun, musí robot mít takovou produktivitu, aby nahradil aspoň dva pracovníky. Nicméně když firma není schopna obsadit pracovní pozice, zvolí automatizované řešení, aby vůbec mohla zakázku získat a dodat výrobky včas," vysvětluje Petr Kolář, vedoucí Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii ČVUT. Automatizace je tak podle něho v některých případech jediná cesta, jak si udržet zakázky.

Stále větší míra robotizace proniká i do oblasti vedlejších výrobních operací. "Roboti nahrazují tradiční systémy automatické výměny nástrojů a technologií, dodávání obrobků a jejich následné skladování či distribuci. Tato řešení vedou nejen ke zkracování vedlejších výrobních časů, ale i ke zvýšení produktivity a flexibility," doplňuje Ladislav Kolařík, vedoucí Ústavu strojírenské technologie Fakulty strojní ČVUT.

To ale neznamená, že je možné jednoduše automatizovat výrobu všude tam, kde chybí pracovníci. Podle výkonného ředitele ZKL Bearings CZ Jiřího Prášila mladšího lze více automatizovat některé části výroby hlavně díky čím dál vyšší specializaci firem. "V dnešním velice konkurenčním prostředí nelze být špičkou ve všem. Každý podnik se určitým směrem specializuje a omezuje sortiment na ten, který ho živí. Pokud se firma rozhodne jít směrem automatizace, tak je nutné navýšit výrobní dávky (série stejných výrobků, pozn. red.) a zlepšit interní plánování," myslí si Prášil.

Digitalizace všeho

Pouhá automatizace proto nemůže být řešením tam, kde zákazníci vyžadují vysoce individualizované produkty. Typickým příkladem ze strojírenství je automobilový průmysl. Automobilky jsou dnes nuceny vyrábět obrovské množství variant svých produktů, ovšem při zachování nízkých nákladů hromadné výroby. To je možné právě díky postupující digitalizaci výroby a principům takzvaného Průmyslu 4.0.

Ty byly i na stránkách Hospodářských novin v minulých letech popsány už mnohokrát, přesto řada firem mezi automatizací a digitalizací zatím příliš nerozlišuje. "Automatizace byla hlavním identifikátorem předchozí průmyslové revoluce − existuje již desetiletí, ale samozřejmě bychom se bez ní při stávajících nárocích na objemy produkce neobešli a ani nadále neobejdeme. Nicméně dnes, v době čtvrté průmyslové revoluce, je hlavním návazným trendem digitalizace," potvrzuje Leoš Dvořák, ředitel pro digitalizaci ve společnosti Siemens ČR. "Jde o digitalizace výroby na všech úrovních − od návrhu výrobku, simulování funkcionality i fyzikálních parametrů, testování virtuálních modelů přes přípravu výrobních technologií, vlastní výroby a její organizace až po způsob prodeje, logistiku a servis," dodává Dvořák.

V digitální podobě se dnes uchovává téměř vše. Počínaje administrativními dokumenty přes technické výkresy až po celé strojní dokumentace. "Dříve putoval s výrobkem celou linkou produktový list. Nově je nahrazen identifikátorem, který obsahuje informace o produktu v elektronické podobě. Veškeré úpravy a změny výrobku se zaznamenávají v reálném čase a jsou přístupné on-line," upozorňuje Jiří Drbout, vedoucí útvaru plánování značky společnosti Škoda Auto.

Do virtuálního prostředí se přesouvá nejen vývoj samotného produktu, ale i všech výrobních procesů, které je možné nejprve virtuálně nasimulovat, optimalizovat a teprve následně převést do reálného prostředí. A podle dat z reálné výroby dále optimalizovat výrobky, výrobní zařízení a jejich vir­tuální modely. "Nasazují se technologie, které díky rozšířené a virtuální realitě umožňují téměř reálný pohled na plánované pracoviště ještě před montáží," dodává Jiří Drbout.

Bez lidí to nepůjde

Digitalizace je provázena razantním nárůstem poptávky po odbornících, kteří zvládnou obsluhovat moderní systémy a zpracovávat a řešit související problémy. Podle Jiřího Drbouta ale na aktuální situaci nereaguje dostatečně rychle zavádění nových oborů ve školách i v průmyslové praxi. Řešení představuje vlastní vzdělávání v podnicích a budování interdisciplinárních týmů mladých lidí, kteří mají znalosti technologických procesů, IT nebo Průmyslu 4.0. "Digitální transformace nedosáhneme bez moderních technologií. Na prvním místě ale vždy stojí člověk, komunikace a týmová spolupráce," myslí si Drbout.

Podle některých odborníků nelze hovořit o revoluci, tedy skokové změně, ale o postupném procesu, který probíhá v mnoha strojírenských oborech již řadu let. Jde o postupné zavádění nových prvků řízení, monitorování a kontroly výrobního procesu v ­reálném čase a následné ovlivnění další výroby podle výsledků této kontroly, tedy ve zpětné vazbě na řízení procesu. "To by mělo postupně vést k menší závislosti výroby na lidském faktoru a větší samostatnosti či inteligenci výrobních linek. Jsou s tím také spojeny zvýšené nároky na ukládání a zpracování stále většího množství dat," vysvětluje Ladislav Kolařík z Fakulty strojní ČVUT.

Jednou z prvních fází přechodu k Průmyslu 4.0 je právě digitalizace toku dat. Ta by měla odstranit prostoje v předávání a využívání informací, které jsou dnes uloženy v různých nepropojených systémech a často jsou vázány na papírové nosiče. Digitalizace je tak prostředkem propojení dat, a tedy i propojení automatických výrobních systémů.

Všemocná data

Využití dat, která dnešní výrobní technologie generují, je jednoznačným trendem. Vzhledem k jejich rostoucím objemům bude zřejmě nutné pro jejich ukládání a zpracování více využívat cloudové platformy. "Dnes dokážeme velmi efektivně data z výrobních technologií sbírat, otázkou ale je, co s nimi. Musí se zpracovat, vyhodnotit a v podobě informace vrátit uživateli, což vyžaduje mimo jiné velký výpočetní výkon a úložné kapacity. Pro přeměnu dat v informace je klíčová kombinace zkušeností a znalostí výrobní technologie s moderními metodami zpracování velkých dat," říká Leoš Dvořák ze Siemensu.

Objem v současnosti generovaných dat je obrovský. Z jediného zařízení v továrně je možné zaznamenávat například výkon, příkon, teploty, tlaky, momentové charakteristiky, vibrace a další fyzikální a technologické parametry. "Výsledkem jejich zpracování, výpočtů a simulací může být nejen předvídání potřebné údržby, ale i optimalizace chování a výkonu stroje či redukce spotřeby energie. Kombinací konstrukčních dat s daty získanými z provozu můžeme také zrychlit a zefektivnit inovační cykly," dodává Dvořák.

Dobrým příkladem využití provozních dat k další optimalizaci fungování stroje jsou i moderní traktory. Zemědělský stroj dnes předává uživateli klíčová data o spotřebě paliva, místě, kde se nachází, a o tom, co právě dělá, ale také informace o tom, zda a jaký servisní zásah vyžaduje. "Cílem je, aby bylo možné zefektivnit vykonávanou práci a například optimalizovat chod stroje s ohledem na zátěž a spotřebu paliva. Poslední fází pak je plná automatizace stroje, který by dokázal sám, bez obsluhy, vykonat vše, co mu operátor zadá přes počítač," popisuje Karel Novotný, ředitel výrobního úseku firmy Zetor Tractors.

Nové výrobní technologie a materiály

Jedním z důležitých trendů ve strojírenství je také rychlý rozvoj nových typů materiálů a výrobních technologií. "V případě mate­riálů jde například o vysokopevnostní oceli nebo nové typy slitin neželezných kovů, případně i materiály nekovové, zejména různé typy plastů a kompozitních materiálů či sendvičových struktur," vysvětluje Ladislav Kolařík z Ústavu strojírenské technologie. Vlastnosti materiálů dále vylepšuje využívání nových povrchových vrstev a povlaků, které je chrání proti korozi či opotřebení.

Zpracování takových materiálů vyžaduje nové technologie výroby. Stále častěji se používají i různé netradiční kombinace materiálů, což přináší nové impulzy do oblasti technologií spojování. Podle Kolaříka jde například o hybridní metody svařování, lepení nebo moderní metody vytváření mechanických spojů. "Začínají se uplatňovat i zcela nové metody výroby − zejména aditivní zpracování materiálu, které má v současnosti obrovské zastoupení ve vývojově-výzkumných pracích a do budoucna skrývá velký potenciál především v oblasti 3D tisku kovových materiálů," popisuje Ladislav Kolařík. Aditivní technologie je možné také integrovat do obráběcích strojů, čímž vznikají takzvané hybridní způsoby výroby. "Díky tomuto posunu je již dnes znatelná změna v přemýšlení o možnostech výroby, kde dříve obtížně vyrobitelné díly lze vyprodukovat v jednom stroji, na jedno upnutí polotovaru," dodává Kolařík.

Ukázka 3D tisku kovových součástí z kovového prášku pomocí laseru ve videu strojní fakulty Vysoké školy báňské − Technické univerzity ­Ostrava

3D tisk kovů na zařízení Renishaw AM 400
3D_tisk_kovu_na_zarizeni_Renishaw_AM_400.jpg

Moderní výrobní stroje musí být zejména univerzální a multifunkční, spojovat jednotlivé výrobní metody do jednoho stroje. Současně ale musí zachovávat dostatečnou přesnost. V budoucnu lze předpokládat řádově vyšší nároky na přesnost nejen v oblasti malých strojů, ale nově i u strojů střední velikosti a strojů pro velkorozměrové díly. "Velmi důležitá je i flexibilita, možnost rychlé změny sortimentu výroby. Stroje budou také méně závislé na lidské obsluze a bude snazší zapojit je do integrované výroby. To souvisí se zaváděním moderních prvků elektroniky a mechatroniky. Dále také poroste význam nanotechnologií a biotechnologií," uzavírá Ladislav Kolařík.