Jyrki Savolainen

[email protected]
See more

Kohti automaattisia tehtaita

Kohti automaattisia tehtaita

Digitalisaation myötä tuotannon ja valmistuksen tavat ja se miten valmistava liiketoiminta on organisoitu ovat tulossa murroskohtaan, joka ei ole pelkästään tekninen vaan myös ”sosiaalinen”. Historiallisesti katsottuna ensimmäiset massatuotantoon keskittyvät tehtaat syntyivät 1800-luvun puolivälissä, tarkoituksenaan tuottaa standardoitua, enemmän ja halvemmalla, ilman asiakaskohtaista tuotteiden räätälöintiä. Henry Ford lausui tähän liittyen lentävän lauseen: ”mikä tahansa asiakkaan valitsema auton väri on ok, niin kauan kuin se on musta”.

Fordinkin autotuotannossaan käyttöönottaman prosessiajattelun avulla työvaiheet voitiin pilkkoa niin pieniin osiin, ettei erikoistunutta osaamista työntekijöiltä enää vaadittu vaan (lähes) kouluttamattomat tavalliset ihmiset voitiin ottaa tuotantoprosessin osaksi. Ford kiihdytti auton valmistusta myös teollisuusautomaatiota käyttämällä – käytännössä hänen tehtaissaan otettiin käyttöön liukuhihnat.

Jyrki Savolainen

tutkijatohtori,
LUT-yliopisto

Mikael Collan

professori,
LUT-yliopisto

Fredrik Taylor (1856 – 1915) oli yksi ensimmäisistä, jotka sovelsivat ”tieteellistä menetelmää” tai ainakin tarkkaa ja harkittua analyysiä työn ja prosessien kirjaamisessa ja niiden mittaamisessa eri tavoin. Hänen tavoitteenaan oli maksimoida työntekijöistä ja prosesseista saatava teho mm. karsimalla ylimääräisiä fyysisiä liikkeitä työn tekemisestä sekä asettamalla työntekijöille tarkat tuotantotavoitteet aikayksikköä kohti. Suomalaisilla työpaikoilla nämä ei-niin-pidetyt työtehon mittaajat tunnetaan nimellä kellokallet. Se mitä Taylor teki vastaa nykyään toimintaa, joka yhdistetään muun muassa Lean ajatteluun ja mittareilla johtamiseen.

Teollisessa kontekstissa massatuotannon tuottamia skaalaetuja ja tayloristista tehokkuutta on suosittu, mikä on johtanut suurempien ja suurempien ja yhä kalliimpien tehdasinvestointien rakentamiseen, sekä työntekijämäärien kasvuun. Suuret tuotantolaitokset ovat paikkasidonnaisia ja valmistus perustuu toimivaan logistiseen järjestelmään, joka kuljettaa raaka-aineet tehtaalle ja valmiit tuotteet asiakkaalle. Varallisuus koneiden ja laitteistojen muodossa ja työpaikat ovat kiinteästi paikkaan sitoutuneita. Industrialismi eli teollistuminen ja sen osana fordismi on ollut länsimaisen teollisuusyhteiskunnan peruspilareita, joiden vaikutukset näkyvät siinä kehityskaaressa, joka moni valtio on teollisuuspaikkakuntien kasvun myötä myös sosiaalisessa mielessä elänyt. Tehokas tuotannon organisointi on luonut hyvinvointia ja työllisyyttä.

Siellä missä on vaurautta, on myös kysymys sen jakautumisesta ja tyypillisesti tämä kulminoituu voitonjakoon pääomapanoksen ja työpanoksen välillä. Siellä missä työpanoksen hinta ja siis osuus tuotosta on vuosien saatossa noussut, on tuotannon automaatio tullut korvaamaan työtä. Vuosien kuluessa alkaen yksinkertaisista mekaanisista koneista, jotka korvaavat ihmisen raskaissa käsitöissä ja ovat niissä ihmistä tehokkaampia, on automaatiossa menty kohti enemmän ”ajattelua” vaativia työvaiheita, eikä kehitykselle näy loppua.

Puhdas massatuotantomalli näki kulutustavaroiden osalta huippunsa 1970-luvun talousmuutosten myötä teollisuusmaissa, kun markkinat saavuttivat kyllästymispisteensä tuotteiden määrän osalta. Alkoi aikakausi, jota kuvaa tuotteiden kautta erottuminen, kuluttaja ostaa ei vain tuotetta, vaan haluamansalaisen tuotteen. Tuotantojärjestelmien osalta tilanne yhdistää korkean tuottavuuden tuotantoprosessin ja massakustomoinnin. Itse järjestelmät ovat pitkälle automatisoituja ja niitä hoitamaan riittää tyypillisesti hyvin palkattu, mutta kohtalaisen vähälukuinen määrä asiantuntijoita.

 

Idealisoidussa, ”täyden digitalisaation” skenaariossa mahdollistuisi aiempaa paremmin suurten asiakasjoukkojen palveleminen yhtäaikaisesti hyödyntämällä toisiinsa kytkettyjen koneiden verkostoja, jolloin yhden tuotantolaitoksen mittakaava ei mahdollisesti olisikaan enää talouden kannalta määräävä tekijä, vaan kannattavuutta haettaisiin yhä enemmän tuotevalikoimaa kasvattamalla ja nopeudella. 

Ehkä esimerkkinä hajautuneesta ja automaattisesta digitalisoidusta järjestelmästä, vaikkakin ilman fyysisiä koneita, voidaan pitää vastikään ulkomaille myytyä ruuan toimituspalvelu Woltia, jossa asiakkaiden tilaukset pilkkoutuvat automaattisesti verkoston pienimmille osapuolille toteutettavaksi. Periaatteessa samalla tavoin myös tuotantolaitteet olisivat datan avulla ohjattavissa mistä päin maailmaa tahansa. 

Hyödyntämällä keskenään yhteydessä olevien tuotantolaitteiden verkostoja voitaisiin etsiä automaattisesti kullekin tuotteelle sen optimaalinen toteutustapa millä tahansa ajanhetkellä lähimpänä asiakkaan fyysistä sijaintia. Yksi ratkaistava asia verkostoituneessa tuotantomallissa on riittävän laajan tuoteskaalan ja tuotantokapasiteetin varmistaminen, johon 3D-tulostus, eli lisäävä valmistus, voi olla yksi tulevaisuuden ratkaisu.

On toki selvää, että monien kokoluokaltaan suurten massatuotteiden osalta (esimerkiksi luonnontuotepohjaisen perusteollisuuden kuten puunjalostus) verkottunut valmistus ei luultavasti koskaan ole kilpailukykyinen vertailussa nykyisten keskitettyjen tuotantolaitosten kanssa. Kuitenkin keskeisenä teesinämme on, että osa tuotannollisesta toiminnasta automatisoituu ja siirtyy tulevaisuudessa keskitetyistä tuotantolaitoksista eli tehtaista kohti digitaalisesti ohjattuja pienempien tuotantoprosessien esimerkiksi yksittäisten 3D-tulostimien verkostoja.

 

Lähteet

Michelsen, K.-E., Collan, M., Savolainen, J., & Ritala, P. (2021). Changing Manufacturing Landscape: From a Factory to a Network. In C. M. Hussain & P. Di Sia (Eds.), Handbook of Smart Materials, Technologies, and Devices: Applications of Industry 4.0 (pp. 1–21). Springer International Publishing. 

Savolainen, J., & Collan, M. (2020). How Additive Manufacturing Technology Changes Business Models? – Review of Literature. Additive Manufacturing, 32, 101070. 

Savolainen, J., & Knudsen, M. S. (2021). Contrasting digital twin vision of manufacturing with the industrial reality. International Journal of Computer Integrated Manufacturing, 1–18. 

Collan, M., & Michelsen, K.-E. (Eds.). (2020). Technical, Economic and Societal Effects of Manufacturing 4.0 – Automation, Adaption and Manufacturing in Finland and Beyond. Palgrave Macmillan, Cham.

Do we need factories for manufacturing in the future?

Do we need factories for manufacturing in the future?

Traditionally, manufacturing happens within factory walls, where a factory is understood as a place for mass production of goods. It is an assembly of machines and workers who are organized and managed to maximize efficiency and productivity.

 

“Manufacturing-as-a-Network” is unlike the factory as we know it and answers to the needs of the postindustrial society. It is a network structured to perform specific and tailored products in collaboration with customers, for customers, and sometimes by customers.

Karl-Erik Michelsen

Professor, LBM,
LUT University

Jyrki Savolainen

Post-doc. Researcher, LBM,
LUT University

Mikael Collan

Professor, LBM,
LUT University

Paavo Ritala

Professor, LBM,
LUT University

The book chapter written by MFG4.0 researchers focuses on the technological, managerial, and societal transformation from the old manufacturing system into the new, discussing the drivers, the challenges, and the opportunities connected to the transformation.

The suggestion is that we are moving from a Taylorist-Fordian factory model towards “Manufacturing-as-a-Network,” which indicates new types of business possibilities, risks, and transformative implications to society.


Michelsen
, K.-E., Collan, M., Savolainen, J., Ritala, P. (2021). Changing Manufacturing Landscape: From a Factory to a Network. Handbook of Smart Materials, Technologies, and Devices Applications of Industry 4.0

Keywords

Industry 4.0, Manufacturing, Factory, Business model Network

Developing Digital Twin for Smart Manufacturing. What are the preliminaries?

Developing Digital Twin for Smart Manufacturing. What are the preliminaries?

“Digital Twin (DT) is an emerging concept, which by broad definition refers to (a set of) digital models of physical entities. This paper discusses the preliminaries of when and to what extent digital twinning could be applied to optimize whole manufacturing systems.

The key considerations are formalized into ten generic propositions based on the synthesis of the existing scientific knowledge. It is claimed that the boldest visions of DT technology seem not yet attainable due to several philosophical and technological restrictions.

Jyrki Savolainen

Post-doc. Researcher, LBM,
LUT University

Mikkel Stein Knudsen

Project Researcher, Finland Futures Research Centre (FFRC)
University Of Turku

As a practical suggestion, companies should start their system-level digitalization efforts with workable, yet profitable, ‘low-fidelity’ DTs with limited data collection. These types of initiatives may speed up the development towards today’s idealistic visions of factory-wide digital twins. That is, by choosing the right investments in promising DT-technologies, e.g. Finnish manufacturing firms can gain key strategic advantages for the future.”

Savolainen. J., and Knudsen. M. S.(2021). Contrasting Digital Twin Vision of Manufacturing with the Industrial Reality. International Journal of Computer Integrated Manufacturing, September, 1–18.

Keywords

Digital twin, simulation ,investments, cyber-physical system

How to consider market uncertainties in maintenance policy selection?

How to consider market uncertainties in maintenance policy selection?

Industries that rely their production output on physical assets cope with the trade-off between maximizing operational time while minimizing maintenance to avoid equipment breakdowns. In an uncertain market environment, it is not said that the optimal maintenance policy would remain fixed.

To study the issue, we reproduce a simplified mine environment employing a virtual counterpart that resembles a digital twin (DT) of the system allowing us to study the effects of maintenance planning decisions on the overall profitability. Different system configurations are tested, and the probability to run the mine profitably is estimated with all the combinations of system configuration and maintenance policy in an uncertain market environment.

Michele Urbani

Doctoral Student, University of Trento/
LBM, LUT University

Jyrki Savolainen

Post-doc. Researcher, LBM,
LUT University

The case study presented shows that the proposed methodology is feasible, although the dimensionality of results emerging from model complexity is found to be an issue.

Finally, we discuss the implications of complex DT-models in industrial settings and how they can be used to improve managerial decision-making processes.

Savolainen, J., & Urbani, M., 2021, Maintenance optimization for a multi-unit system with digital twin simulation – Example from the mining industry. Journal of Intelligent Manufacturing.

Keywords

Maintenance optimization, Digital twin, Simulation, Optimization

Expert forumilla mukana useita MFG4.0-tutkijoita

Expert forum: Urban mining and metal recovery from low value ores and sidestreams


25.11.2019 Helsingin Messukeskukseen kokoontuu joukko asiantuntijoita keskustelemaan uudenlaisista näkökulmista kaivostoimintaan sekä metallien talteenottoon vähäarvoisista malmeista ja sivuvirroista. Tapahtumassa on puhujia sekä yliopistoista että yrityksistä. Lisäävä valmistus eli 3D-tulostus on keskeisessä näkökulmassa monessa esityksessä, ja alan asiantuntijat esittelevät sen hyödyntämistä erotustekniikassa.

Erityisesti lisäävää valmistusta käsittelevät tohtori Heidi Piili ja apulaisprofessori Eveliina Repo
LUT-yliopistosta.
Piilin esitys käsitteleemetallien 3D-tulostusta ja virtuaalisista oppimista. apulaisprofessori Eveliina Repo, joka kertoo 3D-tulostetuista elektrodeista ja adsorbenteista metallien talteenotossa.

Apulaisprofessori Repo kertoo 3D-tulostetuista elektrodeista ja adsorbenteista metallien talteenotossa. Foorumin puhujat lähestyvät metallien talteenottoa innovatiivisilla ja tarkoitukseensa kohdistetuilla menetelmillä ja teknologioilla.

Esityksien lisäksi tapahtumassa on näyttely, jonka aiheet käsittelevät sekundääristen materiaalien käyttöä ja prosessien sivuvirtojen tehokkaampaa hyödyntämistä siirtyessä kohti raaka-aineiden kiertotaloutta.

Kuvassa 3D-tulostettuja elektrodeja

Foorumin pääpuhujina toimivat tohtori Kris Broos (VITO) ja tohtori Guilhem Grimaud (MTB). He molemmat ovat asiantuntijoita kestävässä kehityksessä, materiaalien kierrätyksessä ja kiertotaloudessa. Foorumissa käydään läpi modernien teknologien, kuten lisäävän valmistuksen, tarjoamia ratkaisuja ja mahdollisuuksia metallien talteenottoon ja kaivosteollisuuteen. Tapahtuma on suunnattu yrityksille, jotka etsivät uusia teknologiota, ratkaisuja, ideoita tai projektikumppaneita. Foorumia toteuttamassa ovat mukana CST, EIT Raw Materials ja LUT-yliopisto.

Expert Forumilla on myös esillä tutkijatohtori Jyrki Savolaisen posteri, joka käsitteleen kaivosten teknis-taloudellisia simulointimalleja. Digital twin model for metal mining investments; Managing complexity with simulation

sekä Atte Heiskasen, Pinja Niemisen, Heidi Piilin ja Eveliina Revon posteri, joks käsittelee Elektrodien 3D-tulostusta : Additive manufacturing of electrodes from metals