Model-based definition in glass processing machine manufacturing

Abstract

Moderni koneenvalmistus perustuu tarkan tuotemäärittely tiedon siirtämiseen alihankkijalle. Perinteisesti 2D-piirustukset ovat olleet suosituin tapa välittää mittoja, toleransseja ja muita tuotemäärittely tietoja valmistajalle johtuen 2D-piirustusten olemisesta helppoja luoda, lukea ja jakaa. Kuitenkin 2D-piirustuksilla on useita haittapuolia. Joitakin 3D-piirteitä saattaa olla hankala kuvata 2D-formaatissa tavalla, joka antaa hyvän kuvan piirteestä. Koska 2D-piirustukset ovat pohjimmiltaan 3D-mallin johdannaisia niin ne voidaan tehdä tarpeettomiksi, jos sama 2D-piirustuksessa oleva tieto voidaan upottaa 3D-malliin itsessään. Tuotemäärittely tietojen ja muun relevantin tiedon upottamista 3D-malliin kutsutaan mallipohjaiseksi tuotemäärittelyksi.

Mallipohjainen tuotemäärittely sallii datan keskittämisen lisäämisen yhteen revisiohallittuun tiedostoon, joka voi toimia tuotemäärittely tietojen päälähteenä. Tämä vaatii käytettyjen tiedostomuotojen tukevan tuotemäärittely tietojen upottamista niihin ja tietokoneavusteisten ohjelmien kykyä luoda niitä. Myös sidosryhmillä täytyy myöhemmissä tuotantovaiheissa olla yhteensopivat ohjelmistot tiedostojen lukemiseen ja käyttämiseen osien valmistuksessa, mikä voi sisällyttää tietokoneistettua numeerisesti ohjattua valmistusta, joka voi sopivalla ohjelmistolla hyödyntää suoraan ja automaattisesti 3D-malliin upotettuja geometrisiä mittoja ja toleransseja. Tämä kuitenkin vaatii paljon luottamusta tuotemäärittely tietojen siirtymisprosessiin ja ohjelmistojen oikeanlaiseen toimintaan, sillä mikä tahansa virhe kyseisessä prosessissa voisi johtaa viallisiin osiin.

Glaston on globaali lasinjalostuskoneiden valmistaja, joka on kiinnostunut parantamaan sen koneensuunnittelu- ja valmistusprosesseja, koska sen kuluihin vaikuttaa voimakkaasti alihankinta-osavalmistus ja mekaniikkasuunnittelu sekä suoraan että epäsuorasti. Mallipohjainen tuotemäärittely voisi sallia Glastonin siirtymisen pois 2D-piirustusten käytöstä valmistusprosessissaan ja avata uusia mahdollisuuksia valmistusmenetelmille. Mallipohjaisen tuotemäärittelyn nykyisen tilanteen tutkiminen ja käyttötapausvaihtoehtojen tutkiminen ovat tämän tutkimuksen keskiössä.

Suoritetut päätutkimukset tässä tutkimuksessa pitävät sisällään mallipohjaisentuotemäärittelyn ja 2D-piirustusten merkintöjen luontiprosessin keston arvioinnin tietokoneavusteisella ohjelmalla, tiedostokokojen arvioinnin eri tiedostomuodoilla ja kyselyt keskeisille sidosryhmille mallipohjaiseen tuotemäärittelyyn liittyen. Merkintöjen luontiprosessi tutkimuksessa 120 opiskelijaa suoritti harjoituksen, jossa opiskelijat ottivat aikaa tuotemäärittely merkintöjen tekemiseen kuluvasta ajasta saman osan 3D-malliin mallipohjaisen tuotemäärittelyn työkaluilla ja 2D-piirustukseen 2D-piirustustyökaluilla. Tutkimuksen tulokset vihjaavat, että mallipohjaisen tuotemäärittelyn tuotemäärittely tietojen merkintöjen lisääminen 3D-malliin on hitaampaa kuin samojen merkintöjen tekeminen 2D-piirustus työkaluilla. Tiedosto muotojen tutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että natiivit SolidWorks 2D-piirustukset ja 3D-malli ja STEP 242 tiedostomuodot käyttävät paljon kiintolevytilaa verrattuna muihin tiedostomuotoihin. Kyselytutkimuksen tulokset paljastivat, että suurin osa alihankkijoista ei pysty hyödyntämään mallipohjaista tuotemäärittelyä tuotantoprosesseissaan, johtuen puutteista laitteistoissa, työntekijöiden osaamisessa ja siinä ettei mallipohjainen tuotemäärittely tarjoa merkittäviä hyötyjä yli nykyisesti käytössä olevien menetelmien. Suurin osa kyselyyn vastanneista Glastonin mekaniikkasuunnittelijoista pitää mallipohjaiseen tuotemäärittelyyn siirtymistä liian suuririskisenä.

Modern machine manufacturing relies on accurate transfer of product manufacturing information (PMI) to the subcontractor part manufacturer. Traditionally 2D drawings have been the most popular way of relaying dimensions, tolerances, and other PMI data to the manufacturer due to 2D drawings being easy to create, read and share. However, 2D drawings have several drawbacks. It can be difficult to represent certain 3D features in 2D format in a way that gives good representation of the feature. Since 2D drawings are essentially derivations of 3D models, they can be made redundant, if the same information included in the 2D drawing can be embedded in the 3D model itself. Embedding PMI data and other relevant information in the 3D model is called model-based definition (MBD).

MBD allows centralizing more data into one revision-controlled file that can work as primary source of PMI. This requires used file formats to support embedding PMI data into them and computer-aided design (CAD) software to have required tools to create them. Also, stakeholder groups in subsequent production phases must have compatible software to view and use those files in the part manufacturing process, which may include CNC manufacturing that with suitable software can directly and automatically make use of geometric dimensions & tolerances embedded in the 3D model. This however requires high level of trust in PMI data transfer process and correct functioning of used software as any error in this process could lead to defective parts.

Glaston is a global glass processing machine manufacturer that is interested in improving its machine design and manufacturing processes as its operating costs are highly affected by part manufacturing by subcontractors and by mechanical design both directly and indirectly. MBD could allow Glaston to move away from using 2D drawings in its manufacturing processes and open new possibilities for the manufacturing methods. Studying current state of MBD and exploring use case options for Glaston are focus points of this study paper.

Main studies conducted in this paper include studying comparing MBD and 2D drawing annotations creation process durations on CAD software, estimating part file sizes with different file formats and surveying opinions of relevant stakeholder groups on the topic of MBD. The annotation creation process study utilized 120 students that completed an exercise where they had to time themselves as they added annotations to a 3D model with MBD tools and when they created a 2D drawing of the same part. The results of the study suggest that creating MBD annotation on a 3D model is more time consuming than doing equal annotations with 2D drawing tools. File format study results hint that native 2D drawing and 3D model formats of SolidWorks and STEP 242 file format use more disk space than other compared file formats. Results of the survey study that surveyed opinions of subcontractors and engineers revealed that most subcontractors are not currently able to make use of MBD 3D models in their manufacturing processes due to lack of equipment, low skill base of employees and the issue of MBD not offering them significant benefits over currently used traditional methods. Most of the surveyed Glaston mechanical engineers also think that MBD is currently too risky to transition into using.