Cyfrowe rozwiązania w branży lotniczej

Schemat ideowy rozwiązania MBD, tj. powiązań poszczególnych funkcji cyfrowego rozwiązania opracowanego w projekcie

Zespół interdyscyplinarny, złożony z naukowców Uniwersytetu Kaliskiego oraz przedstawicieli Pratt & Whitney Kalisz – kaliskiego wiodącego producenta komponentów lotniczych rozpoczyna cyfrową rewolucję w branży – Spodziewamy się, że zaproponowane przez nas rozwiązanie wywoła efekt kuli śnieżnej i zachęci, a nieraz nawet wymusi zmiany sposobu myślenia i funkcjonowania w całym „ekosystemie” lotniczym – mówi dr inż. Marek Pawlicki, jeden z autorów projektu.

Zaproponowane rozwiązania zespół zaprezentował w końcu października, podczas konferencji naukowej na Uniwersytecie Kaliskim. – Rozwiązanie, o którym mówimy, ma przełożenie na całą branżę lotniczą – przyznaje dr inż. Marek Pawlicki. – Z oczywistych względów szybsze i sprawniejsze procesy, jak ofertacja, proces zamawiania komponentów przez producentów silników, opracowanie technologii wytwarzania, kontrola części lotniczych i cyfryzacja całego procesu produkcji, logistyki wewnętrznej i zewnętrznej zarówno dla części nowych, jak i serwisowych, wpływa na jednostkowy koszt produktu. Tańsze komponenty silnika lotniczego i jego serwisowanie wpływają na niższe koszty, wyższą jakość i poprawioną, możliwą do lepszego rozplanowania terminowość funkcjonowania użytkowników silników, tj. linii lotniczych, użytkowników wojskowych i innych (np. pogotowie ratunkowe, policja), w całym cyklu życia silnika lotniczego. Warto podkreślić, że produkowane przez zrzeszonych w wielkopolskim Klastrze Lotniczym liderów w zakresie wytwarzania produkty montowane są w silnikach przeznaczonych do samolotów cywilnych (zarówno krótko– jak i długodystansowych), wojskowych, śmigłowców, czyli w przeważającej większości aplikacji lotniczych. Wszędzie tam szybsza, tańsza, bardziej powtarzalna i łatwiejsza do archiwizacji, dokumentacji produkcja komponentów lotniczych będzie miała swoje przełożenie.

Mogłoby się wydawać, że przemysł lotniczy jest wyjątkowo podatny na innowacje, tymczasem okazuje się, że obecnie u wielu dostawców przemysłowych, również w branży lotniczej, dominuje przestarzały sposób projektowania komponentów i ich technologii wytwarzania, a cyfryzacja produktów i procesów jest zaledwie częściowa. – W toku projektowania części lotniczych uwzględnia się oczywiście nowoczesne narzędzia, oprogramowanie komputerowe, ale efekt w postaci definicji produktu (definicji części lotniczej) stanowi rysunek konstrukcyjny 2D (tzw. płaski) i szereg widoków, rzutów i przekrojów ustandaryzowanych, znanych w technice od setek lat. Sposób ten właściwie jest analogiczny do projektów, które dla swoich machin latających wykorzystywał Leonardo da Vinci na przełomie XV i XVI w. Zmieniło się tylko medium do rysowania – z deski kreślarskiej na komputer. Dlatego, zgodnie z trendami cyfryzacji innych dziedzin życia, zespół interdyscyplinarny Uniwersytetu Kaliskiego oraz kaliskiego lidera branży lotniczej opracował koncepcję, a następnie zrealizował projekt i wdrożył do praktyki przemysłowej rozwiązanie, które pozwala przejść na w pełni cyfrowe środowisko. Całkowita eliminacja definicji części lotniczej w postaci rysunku konstrukcyjnego 2D, pozwala bowiem zarówno nie tylko projektować części lotnicze wg nowego sposobu (co ma już miejsce dla niektórych programów silnikowych), jak i potem opracowywać ofertę, zamówienie, cały proces technologii wytwarzania, kontroli, montażu, logistyki wewnętrznej i zewnętrznej dla części nowych i zamiennych przez producenta części lotniczych (a właśnie pionierem w tym zakresie są kaliskie wiodące firmy lotnicze) – dodaje dr Pawlicki. – Cyfryzacja jest nieodłącznym elementem życia obecnie i spodziewamy się, że nasze rozwiązanie wywoła efekt kuli śnieżnej, tj. zachęci, a nieraz nawet wymusi zmiany sposobu myślenia i funkcjonowania w całym „ekosystemie” lotniczym, czyli u wszystkich dostawców, poddostawców, producentów silników, producentów płatowców i śmigłowców (OEM), użytkowników końcowych – np. odbiorców wojskowych, instytucjonalnych, linii lotniczych, prywatnych właścicieli samolotów i helikopterów. Dzięki temu, skorzysta cała branża. Projektowanie i wytwarzanie komponentów i całych silników będzie tańsze i szybsze, rozszerzą się możliwości zaplanowania nowych konfiguracji, wariantów silników (co pozwoli na większą kastomizację silników dla określonych klientów), a niższe koszty i większa dostępność części i silników poprawią rentowność linii lotniczych i obniżą koszty użytkowania samolotów, helikopterów, co odczuje każdy pasażer w swoim portfelu (spadną koszty biletów lotniczych). Przewodniki użytkownika, instrukcje eksploatacyjne silników, obecnie wykonywane ze szkicami, rysunkami, przekrojami 2D, będą w pełni cyfrowe, z zagnieżdżonymi modelami 3D i wszystkimi istotnymi wymiarami i adnotacjami, np. w formie plików pdf 3D. To rozwinie znacznie umiejętności cyfrowe serwisantów, mechaników i innych pracowników użytkowników końcowych samolotów i helikopterów wyposażonych w silniki, dla których komponenty są produkowane w Kaliszu.

Przełom w skrócie:

Koncepcja ModelBased Definition (MBD) — tj. definiowania części poprzez specjalistycznie przygotowany model 3D, wzbogacony o wymiary, tolerancje oraz dodatkowe informacje — zakłada pełną cyfryzację procesów związanych z technologicznym przygotowaniem produkcji, samej jej realizacji oraz kontrolą i operacjami wspomagającymi (takimi jak: ofertowanie / kalkulacja kosztów produkcji części, logistyka wewnątrzzakładowa i zewnętrzna itp.). Cyfrowa definicja produktu nie ogranicza się jedynie do graficznego odwzorowania geometrii (np. części lotniczych) w postaci parametryzowanego modelu 3D (obejmującego geometrię i relacje pomiędzy powierzchniami); przede wszystkim chodzi o efektywne wykorzystanie takiego modelu wraz z dodatkowymi danymi w całym cyklu życia produktu — od projektowania, przez przygotowanie technologiczne i produkcję (nie tylko na obrabiarkach), wymagania niegeometryczne (np. związane z obróbką cieplną, obróbką powierzchniową, procesami specjalnymi jak spawanie, lutowanie oraz końcowymi wymaganymi właściwościami mechanicznymi – np. twardością HRC lub HV), tj. informacji przechowywanych w formie semantycznej, a ponadto opracowano zbiór wytycznych określających sposób definiowania wymagań w ramach koncepcji MBD. Próby wdrożeniowe w środowisku produkcyjnym wykazały, że semantyczna i zrozumiała dla systemów komputerowych organizacja informacji, które dotychczas były zawarte na kartach operacyjnych, umożliwia redukcję czasu ręcznego przenoszenia informacji między systemami aż o 75% oraz całkowitą eliminację błędów ludzkich.

Liderem projektu w Pratt & Whitney Kalisz był Radosław Szewczyk realizujący doktorat wdrożeniowy z zakresu cyfrowej definicji produktu (Model Based Definition) na Politechnice Wrocławskiej. Wyniki badań zespołu przyczyniły się bezpośrednio do opracowania innowacyjnego rozwiązania w postaci pełnej cyfryzacji procesów związanych z technologicznym przygotowaniem produkcji, samą produkcją oraz kontrolą i operacjami wspomagającymi (ofertowanie – kalkulacja kosztów produkcji, logistyka wewnętrzna i zewnętrzna) dla wsporników i łopatek sprężarek lotniczych, aparatów kierujących i innych złożonych części lotniczych o skomplikowanej geometrii. Obecnie MBD stanowi najskuteczniejsze rozwiązanie do minimalizacji czasów opracowania technologii, redukcji kosztów produkcji oraz eliminacji czasochłonnych czynności ręcznego przenoszenia informacji z rysunku konstrukcyjnego 2D na instrukcje, operacje i schematy technologiczne.

Badania nad cyfrową definicją produktu były prowadzone we współpracy z Uniwersytetem Kaliskim, który pełnił rolę ośrodka naukowego (dr inż. Marek Pawlicki, dr inż. Adrian Mróz, dr inż. Piotr Szablewski). Zespół badawczy skoncentrował się między innymi na przełamywaniu przyjętego schematu, w którym każda część w przemyśle posiadała dokumentację konstrukcyjną w postaci rysunków 2D wraz z definicją oraz technologią jej wytworzenia. Zespół wspólnie wskazał alternatywę w postaci specjalnego modelu 3D części.

Cyfrowa definicja produktu (MBD) stanowi zagadnienie interdyscyplinarne: korzysta zarówno z dorobku dyscypliny inżynierii mechanicznej w zakresie wymagań dla technologii, konstrukcji oprzyrządowania, obróbki skrawaniem, cieplnej i innych procesów specjalnych produkowanych części, jak i z dorobku informatyki technicznej oraz telekomunikacji oraz informatyki ogólnej w zakresie oprogramowania, rozwiązań przechowywania informacji i współdzielenia uprawnień do danych. Ta wielodyscyplinarność sprawia, że rozwiązanie opracowane m.in. przez zespół Uniwersytetu Kaliskiego jest nowoczesne, spełnia wymagania rewolucji cyfrowej 4.0 i jest w pełni gotowe na wyzwania rewolucji 5.0, która nadchodzi do Polski, w szczególności do branż high-tech, a zatem także do CNC, co stanowi najbardziej naturalny przypadek, lecz również na urządzeniach takich jak myjki, piece, linie obróbek chemicznych itp.), wraz z logistyką części, aż po serwisowanie całych silników. W efekcie zagadnienie to jest znacznie szersze niż jedynie zastąpienie papierowej dokumentacji konstrukcyjnej 2D.

Trudność technologiczna w opisywanym projekcie polegała na opracowaniu metody przygotowania programów pomiarowych oraz technologii produkcji komponentów lotniczych w oparciu o koncepcję MBD, co miało umożliwić skrócenie czasu produkcji w porównaniu z obecnie stosowanym procesem wytwarzania części lotniczych o 10–15%. Opracowane rozwiązanie, realizowane przez zespół praktyków z przemysłu przy wsparciu naukowców, pozwala na pełną cyfryzację procesów związanych z technologicznym przygotowaniem produkcji, cyfrową produkcję oraz kontrolę i digitalizację operacji wspomagających.