Branża motoryzacyjna wytwarza bardzo szerokie portfolio produktów, od prostych elementów obrabianych mechanicznie po złożone zespoły, których właściwości końcowe zależą w takim samym stopniu od inżynierii materiałowej i kontroli procesu produkcyjnego, jak od projektu konstrukcyjnego.

Wprowadzenie 

W praktyce przemysłowej wyróżnia się dwa podstawowe modele wytwarzania: produkcję dyskretną oraz procesową. W procesie produkcji dyskretnej powstają policzalne jednostki, które można składać i demontować z osobnych komponentów. Podstawą do poprawnego wytworzenia produktu końcowego jest odpowiednio zarządzana lista materiałowa (ang. Bill of Materials, BOM). W produkcji procesowej surowce są przekształcane poprzez procesy chemiczne, termiczne lub fizyczne, zazwyczaj z wykorzystaniem receptur, a gotowego produktu nie da się w praktyczny sposób rozdzielić z powrotem na pierwotne składniki. 

Większość produktów motoryzacyjnych jest zarządzana jako komponenty i zespoły dyskretne. Patrząc jednak na rzeczywistość produkcyjną, warto wyróżnić kilka grup produktów, które odzwierciedlają złożoność ich projektowania, wytwarzania i w konsekwencji zarządzania w systemach klasy PLM: 

Komponenty obrabiane mechanicznie, definiowane przez projekt konstrukcyjny – komponenty w pełni określone przez kształt, dobór materiału i tolerancje wymiarowe, takie jak wały korbowe, wałki rozrządu, koła zębate skrzyń biegów czy precyzyjne wsporniki, produkowane w procesach obróbki ubytkowej CNC. 

Odlewy metalowe – komponenty, które już na etapie odlewania uzyskują zasadniczy kształt, takie jak bloki silników, głowice cylindrów, tarcze hamulcowe czy obudowy, w przypadku których definicja inżynierska wykracza poza geometrię i obejmuje dedykowane oprzyrządowanie, czyli formę, kontrolowany proces topienia oraz skład stopu metali wpływający na przebieg krzepnięcia. 

Tworzywa sztuczne formowane wtryskowo – komponenty polimerowe, takie jak zderzaki, deski rozdzielcze, obudowy reflektorów czy kolektory dolotowe, gdzie, podobnie jak w przypadku odlewów, wymagane jest zaawansowane projektowanie narzędzi, a rodzaj materiału i zawartość wypełniaczy definiują właściwości końcowe produktu obok wymogów dotyczących kształtu. 

Produkty z zaawansowaną inżynierią materiałową – komponenty takie jak elementy nadwozia czy wały napędowe z kompozytów wzmacnianych włóknem węglowym, w których architektura włókien oraz cykl utwardzania stanowią podstawowe elementy definicji inżynierskiej. 

Produkty, których właściwości są kształtowane przez proces wytwarzania – produkty, w których finalny skład materiałowy oraz właściwości funkcjonalne są kształtowane w trakcie procesu produkcyjnego; przykładem są opony, klocki hamulcowe, szyby samochodowe czy pasy napędowe. Komponenty te łączą cechy produkcji dyskretnej i procesowej. Są indywidualnie identyfikowalne i montowane w pojeździe, ale ich właściwości funkcjonalne – współczynnik tarcia, przyczepność, przejrzystość optyczna czy żywotność zmęczeniowa – wynikają z mieszania składników według receptur, zastosowanych wzmocnień np. w postaci włókien, obróbki cieplnej, prasowania, wulkanizacji i utwardzania. Sam projekt konstrukcji i lista materiałowa BOM nie wystarczają do ich pełnego zdefiniowania. 

Ta ostatnia grupa wymaga specjalnie przygotowanego środowiska PLM, w którym definicja produktu wykracza daleko poza samą postać geometryczną modelu CAD. Skład materiałowy, parametry produkcyjne, zależności narzędziowe oraz warunki procesu mają bezpośredni wpływ na końcowy produkt i muszą pozostawać powiązane oraz możliwe do śledzenia w całym cyklu życia produktu. 

Dlaczego tradycyjne podejścia PLM nie sprawdzają się w inżynierii produktów zależnych od procesu? 

Jednym z głównych wyzwań w inżynierii produktów, których właściwości są kształtowane w procesie wytwarzania jest to, że definicja produktu jest jednocześnie rozproszona pomiędzy wieloma domenami, a pojedynczy artefakt inżynierski nie wystarcza, aby w pełni ją odwzorować. Część definicji produktu jest określona przez postać geometryczną CAD, obejmującą finalny kształt i tolerancje wymiarowe. Inna część wynika ze składu materiałowego oraz właściwości kontrolowanych laboratoryjnie, takich jak receptura mieszanki, architektura wzmocnień czy skład materiału ciernego. Warunki produkcyjne, takie jak ekstruzja, prasowanie, proces produkcji szkła płaskiego czy wulkanizacja, również wpływają na końcowe cechy produktu. Zmiana receptury mieszanki, ciśnienia prasowania lub temperatury utwardzania jest zmianą inżynierską, nawet jeśli geometria pozostaje bez zmian. 

Stanowi to duże wyzwanie dla tradycyjnego podejścia w systemie PLM, które opiera się przede wszystkim na dyskretnych strukturach produktowych budowanych wokół danych CAD i inżynierskich listach materiałowych. Takie struktury dobrze sprawdzają się w odwzorowaniu geometrii i relacji montażowych, ale zwykle nie służą do przechowywania receptur materiałów, specyfikacji parametrów procesu ani zależności pomiędzy warunkami produkcyjnymi a właściwościami materiału. 

Problem dodatkowo się pogłębia, gdy informacje inżynierskie są rozproszone pomiędzy wieloma niezintegrowanymi aplikacjami. Dane materiałowe mogą znajdować się w systemach laboratoryjnych, informacje narzędziowe w aplikacjach produkcyjnych, a definicja produktu w systemach klasy CAD lub Enterprise Resource Planning (ERP). Z czasem organizacje tworzą ręczne mechanizmy synchronizacji, duplikaty danych oraz lokalne praktyki inżynierskie, aby wypełnić te luki. W rezultacie wyzwaniem nie jest wyłącznie wdrożenie platformy PLM, ale również utworzenie spójnego modelu definicji produktu, który odzwierciedla zarówno rzeczywistość inżynierską, jak i produkcyjną. 

Windchill jako fundament spójnego środowiska inżynierskiego 

Wdrożenie systemu PLM często jest częścią szerszej transformacji cyfrowej organizacji. W branży motoryzacyjnej wymagania stojące za takimi projektami tworzą podobny schemat, niezależnie od konkretnego produktu czy segmentu przemysłu. 

Rozwiązanie PLM ma pełnić rolę podstawy zarządzania danymi inżynierskimi i kontroli cyklu życia produktu, a jednocześnie integrować się z systemami przedsiębiorstwa, takimi jak ERP, Laboratory Information Management Systems (LIMS) oraz innymi wykorzystywanymi systemami. Integracja z istniejącymi aplikacjami produkcyjnymi i laboratoryjnymi stanowi warunek konieczny do skutecznej konsolidacji danych. 

Na poziomie projektu kluczowe wymagania powtarzające się w tego typu inicjatywach obejmują: 

Utworzenie spójnego środowiska inżynierskiego – zapewniającego zarządzanie strukturą produktów, procesem zmian inżynierskich, wgląd w skład materiałowy oraz wymagania procesu produkcyjnego. 

Ograniczenie rozproszenia narzędzi inżynierskich – zastąpienie ręcznej synchronizacji zarządzanymi przepływami danych oraz jasno zdefiniowanymi modelami odpowiedzialności. 

Szerokie wsparcie systemów CAD – uwzględnienie różnorodności narzędzi projektowych obecnych w większości organizacji, przy czym natywna, bezpośrednia integracja systemu CAD – PTC Creo Parametric z Windchill stanowi mocną stronę tej platformy. 

Odzwierciedlenie specyfiki produkcyjnej w definicji produktu – to wymaganie najbardziej odróżnia wdrożenia systemu PLM do zarządzania produktami, których właściwości są kształtowane przez proces wytwarzania od wdrożeń obejmujących produkty wytwarzane w sposób dyskretny. Definicja produktu zależy nie tylko od postaci geometrczynej i specyfikacji materiałowych, ale również od ograniczeń maszyn, narzędzi czy warunków procesu produkcyjnego. Środowisko PLM nie może być projektowane jako samodzielne repozytorium danych inżynierskich, lecz musi odzwierciedlać relacje pomiędzy strukturami produktów, ograniczeniami produkcyjnymi, danymi CAD i definicjami materiałów, pozostając jednocześnie praktyczne w codziennej pracy inżynierów. 

Odwzorowanie inżynierii produktu w modelu danych PLM 

Wymagania opisane powyżej pokazują jasno, że projekt wdrożenia systemu Windchill PLM nie powinien zaczynać się od konfiguracji oprogramowania, ale od zrozumienia istniejącego procesu inżynierskiego. Architektura docelowa środowiska Windchill, w tym model danych, powinna być efektem serii warsztatów prowadzonych z klientem w celu zrozumienia, jak produkt jest faktycznie rozwijany. Podczas takich warsztatów zwykle okazuje się, że konkretne luki w procesie rozwoju produktu mają istotny wpływ na jego wydajność. Informacje produktowe są często rozproszone pomiędzy systemami i dyscyplinami inżynierskimi, co utrudnia budowanie łatwych do śledzenia powiązań między modelami CAD, informacjami materiałowymi oraz ograniczeniami produkcyjnymi. 

Takie podejście pozwala zbudować wspólne rozumienie istniejącego środowiska i jego wyzwań, a następnie bezpośrednio wspiera decyzje dotyczące definicji modelu danych PLM. Pomaga też określić, które atrybuty inżynierskie i produkcyjne powinny być zarządzane w Windchill oraz jakie relacje należy ustanowić. 

Projekty realizowane w branży motoryzacyjnej, zwłaszcza te związane z produktami, których właściwości są kształtowane przez proces wytwarzania, pokazują, jak bardzo rozwój produktu zależy od specjalistycznej wiedzy inżynierskiej. Dobrze ilustrują to trzy reprezentatywne przykłady: 

Proces rozwoju opon: samo projektowanie wzoru bieżnika wymaga wyważenia wielu parametrów użytkowych, takich jak hamowanie na mokrej i suchej nawierzchni, prowadzenie, opory toczenia czy hałas. Dobór materiałów i skład mieszanki dodatkowo zwiększają złożoność, a procesy produkcyjne – od kalandrowania i ekstruzji, przez budowę opony, aż po wulkanizację – bezpośrednio wpływają na końcowe właściwości opony. 

Produkcja szyb samochodowych: postać geometryczna szyby przedniej jest tylko częścią jej definicji inżynierskiej. Skład szkła, proces formowania metodą float oraz dobór parametrów termicznych stosowany podczas gięcia i kontrolowanego chłodzenia decydują o jakości optycznej, integralności strukturalnej oraz spełnieniu wymogów w zakresie bezpieczeństwa. W przypadku szyb laminowanych dobór materiału warstwy pośredniej oraz parametry laminowania w autoklawie dodają kolejne zmienne zależne od procesu, których nie można uchwycić wyłącznie w modelu CAD. 

Inżynieria klocków hamulcowych: skład materiału ciernego – starannie zbalansowana mieszanka wzmocnień z włókien, wypełniaczy, materiałów ściernych i spoiwa – definiuje podstawowe właściwości użytkowe części. Ciśnienie prasowania, temperatura spiekania lub utwardzania oraz czas procesu bezpośrednio kształtują mikrostrukturę materiału ciernego, a tym samym współczynnik tarcia, stabilność termiczną i tempo zużycia. Dwa klocki o tym samym kształcie, ale wytworzone w różnych warunkach procesu, będą w pojeździe inaczej spełniać swoje zadanie. 

Zrozumienie przedstawionych zależności staje się kluczowe przy projektowaniu docelowej struktury produktu oraz definiowaniu relacji pomiędzy obiektami inżynierskimi w Windchill. 

Dlaczego Windchill pasuje do złożonych przypadków inżynierskich 

Jednym z głównych pytań stawianych na początku każdego wdrożenia jest to, czy standardowo dostępny zestaw funkcjonalności platformy PLM jest wystarczający w obliczu wysokiego poziomu złożoności inżynierii produktów zależnych od procesu produkcyjnego bez konieczności szerokiej kastomizacji już od samego początku. Z mojego doświadczenia w pracy z klientami z branży motoryzacyjnej wynika, że Windchill okazał się dobrze dopasowanym fundamentem – nie dlatego, że rozwiązuje każdy problem od razu po instalacji, ale dlatego, że zapewnia poziom elastyczności niezbędny do rozszerzania modelu danych tam, gdzie jest to konieczne, przy jednoczesnym wykorzystaniu standardowej funkcjonalności i szerokich możliwości konfiguracyjnych platformy, często określanych jako Out-of-the-Box (OOTB). 

Platforma Windchill zapewnia jednolite środowisko, w którym produkty, (których definicja wykracza daleko poza postać geometryczną) są reprezentowane i zarządzane w całym cyklu życia jako ustrukturyzowane obiekty inżynierskie; umożliwia to definiowanie relacji między komponentami, materiałami, danymi CAD i innymi artefaktami inżynierskimi. Windchill wspiera bogatą definicję produktu, która odzwierciedla ich wielodomenowy charakter. 

Zaawansowane możliwości integracji systemów CAD  z systemem Windchill są kolejnym istotnym czynnikiem. W przypadku złożonych  produktów z branży motoryzacyjnej nie wszystkie  dane zawarte są w modelu CAD.  Tam, gdzie źródłem informacji jest dokumentacja techniczna, utrzymanie powiązania między danymi CAD a strukturą produktu eliminuje ręczne duplikowanie informacji inżynierskich oraz poprawia ich identyfikację oraz śledzenie (ang. Traceability) w szerszej definicji produktu. 

Wreszcie, możliwość adaptacji modelu danych Windchill pozwala wprowadzać dodatkowe obiekty inżynierskie przy wykorzystaniu standardowych możliwości platformy, zamiast tworzyć dedykowane modyfikacje systemu. 

Architektura rozwiązania opartego na Windchill 

W praktyce rozwiązanie oparte na Windchill koncentruje się na modelu danych inżynierskich, który umożliwia odwzorowanie struktury produktu, relacji CAD oraz zależności produkcyjnych w jednym środowisku PLM. Nie może ono opierać się na jednym, ogólnym obiekcie systemowym Part; model danych należy rozszerzyć tak, aby obejmował złożoną definicję produktów. 

Struktura produktu oparta na podejściu top-down, ważnym i szeroko stosowanym w przypadku tej grupy produktów, pozwala na wyjście poza strukturę zbudowaną w systemie CAD. Najpierw w Windchill tworzona jest podstawowa inżynierska struktura produktu z użyciem obiektów typu Part, a dopiero później do tej struktury dołączane są dokumenty CAD, aby uszczegółowić postać geometryczną. 

Mechanizmy zarządzania wariantami oraz klasyfikacji komponentów dostępne OOTB są często włączane do rozwiązania, aby zwiększyć ponowne wykorzystanie komponentów i wspierać dobór konfiguracji produktu w ramach całego portfolio. 

Zarządzanie składem materiałowym stanowi istotną różnicę względem tradycyjnej roli systemu PLM. Ponieważ skład materiałowy znajduje się w centrum definicji złożonego produktu, wymaga dedykowanego miejsca w strukturze produktu. Windchill wspiera to poprzez obiekt Engineering Material, choć nie jest to jedyne możliwe podejście. W Windchill można tworzyć dedykowane obiekty biznesowe do zarządzania informacjami materiałowymi, w tym do integracji z narzędziami klasy Laboratory Information Management Systems, dzięki czemu właściwości materiałowe pochodzące z procesów laboratoryjnych mogą być bezpośrednio powiązane z definicją produktu zarządzaną w PLM. Dedykowana przestrzeń (w terminologii PLM częstio określana mianem „kontenera na dane”) typu biblioteka w systemie Windchill zapewnia możliwość uporządkowane organizowania i zarządzania materiałami bezpośrednio w środowisku PLM. Dzięki połączeniu właściwości materiałowych z informacjami geometrycznymi pochodzącymi z CAD, Windchill PLM umożliwia obliczanie mas komponentów oraz automatyczną agregację masy zespołu produktu z wykorzystaniem wbudowanego mechanizmu BOM roll-up. Tę samą funkcjonalność można zastosować na przykład do obliczania kosztu produktu. 

Kompletna struktura produktu jest zarządzana w całym złożonym cyklu życia, obejmującym fazy projektowania, prototypowania, produkcji czy wycofania produktu z rynku. Informacje istotne z perspektywy procesu produkcji oraz wymagania inżynierskie są bezpośrednio uwzględnione w modelu danych, aby poprawić możliwość ich śledzenia i komunikację.  

Podejście projektowe i wnioski 

Podejście Proof of Concept (PoC) często stanowi dobry punkt wyjścia dla opisywanego typu wdrożeń systemu Windchill PLM. Zamiast rozpoczynać od pełnego wdrożenia, początkowy nacisk powinien pozostać na walidacji tego, jak daleko możliwości adaptacji systemu Windchill mogą wspierać wymagane, złożone procesy inżynierskie. 

Z mojego doświadczenia wynika, że już sama faza analizy w ramach PoC przynosi konkretne korzyści dzięki opisaniu procesów i zdefiniowaniu ich ograniczeń. Praca na wybranej grupie produktów w ramach całego portfolio oraz współpraca z ograniczoną liczbą zakładów produkcyjnych pozwala zespołowi szybko przejść do fazy optymalizacji, budując wspólne rozumienie architektury systemu i wypracowanie docelowej architektury procesów. Działania w ramach PoC powinny koncentrować się nie tylko na konfiguracji systemu, ale w równym stopniu na wypracowaniu terminologii, doprecyzowaniu odpowiedzialności, zdefiniowaniu ról inżynierskich oraz ustaleniu wspólnych oczekiwań dotyczących przyszłego zarządzania danymi produktowymi. Taka praca buduje fundament pod kolejne działania wdrożeniowe i pomaga organizacji lepiej zrozumieć decyzje inżynierskie, procesowe i zarządcze niezbędne do stworzenia skalowalnego środowiska PLM. 

Ścisła współpraca zespołów inżynierskich klienta i partnera wdrożeniowego w całym tym procesie jest jednym z głównych warunków powodzenia. Struktury produktów, przepływy pracy inżynierskiej, zależności produkcyjne oraz odpowiedzialności organizacyjne są ze sobą głęboko powiązane, a decyzje dotyczące jednego obszaru wpływają na pozostałe. 

Widziałem wiele sytuacji, w których wdrożenie techniczne zakończyło się sukcesem, ale oczekiwane rezultaty biznesowe pozostawały poza zasięgiem. W większości przypadków przyczyną nie była technologia, lecz brak jasno zdefiniowanej odpowiedzialności, zasad zarządzania lub zdefiniowanie procesów. Wiedza inżynierska nadal jest generowana przez ludzi. Powstaje poprzez współpracę, doświadczenie i podejmowanie decyzji. System może sformalizować relacje, uporządkować informacje i skutecznie wspierać komunikację pomiędzy zespołami, ale nie ustanowi odpowiedzialności tam, gdzie jej nie ma. Dlatego skuteczne inicjatywy PLM powinny być zawsze postrzegane jako połączenie technologii, procesów i ludzi – a długoterminowa wartość pojawia się dopiero wtedy, gdy wszystkie te trzy obszary rozwijają się razem. 

Kierunki dalszego rozwoju 

Ten artykuł koncentruje się na modelu danych utworzonym w Windchill w celu wspierania działań inżynierskich dla produktów, których właściwości są kształtowane w procesie wytwarzania. Rola systemu Windchill w łączeniu procesu rozwoju produktu i procesów produkcji może jednak sięgać znacznie dalej. Dzięki modułowi MPMLink Windchill umożliwia zarządzanie produkcyjną listą materiałową oraz planowaniem procesów produkcyjnych w tym samym środowisku PLM, łącząc domenę projektową i produkcyjną w sposób szczególnie istotny dla złożonych produktów przemysłu motoryzacyjnego, w której warunki procesu produkcyjnego są częścią definicji produktu. Zdolność do powiązania wymogów projektowych z realizacją procesu produkcji jest jednym z powodów, dla których Windchill pozostaje szeroko stosowany w organizacjach rozwijających zaawansowane technologicznie produkty.