KARTOITUS TUOTANTOAUTOMAATION TEKNOLOGISISTA KEHITTÄMISTARPEISTA Hanna Pajunen-Muhonen Pekka Korpiharju Olli Sylvänne 1
ESIPUHE Suomen, kuten muidenkin läntisten teollisuusmaiden, ns. valmistava teollisuus on viime vuosina kohdannut merkittäviä haasteita liittyen mm. tuotannon, sekä enenevissä määrin myös tuotekehityksen, siirtymiseen alemman työvoimakustannustason maihin. Menestyvien tuotteiden kehittämisen rinnalla toiminnan kehittäminen on avainasemassa teollisuusyrityksen kilpailukyvyn muodostumisessa. Tuotantotoiminnan tehostamisessa on tietotekniikan innovatiivisella hyödyntämisellä merkittävä rooli. Kaikki edellä mainittu huomioiden voidaan edistyksellisillä tuotantoautomaation ratkaisuilla nähdä olevan suuri merkitys länsimaissa toimivan valmistavan teollisuuden menestyksekkään toiminnan kannalta. Tuotantoautomaation tulee mm. olla, itse valmistusprosessiin liittyvien toimintojen lisäksi, integroitu tuotekehitys- ja liiketoimintaprosesseihin. Tekes käynnisti tammikuussa 2004 selvityksen kartoittaakseen kappaletavaratuotantoon liittyvän automaation näkymiä ja kehittämistarpeita. Tavoitteena oli selvitystyön avulla myös aktivoida yrityksiä ja tutkimustahoja yhteistyössä etsimään ratkaisuja alaa kohtaaviin haasteisiin. Selvityksen voidaan todeta saavuttaneen tavoitteensa. Selvityksen tuloksia tullaan hyödyntämään tulevia Tekesin panostuksia, mm. uusia teknologiaohjelmia, suunniteltaessa. Aihealueeseen liittyen Tekes on elokuussa 2004 tehnyt päätöksen valmistelun aloittamisesta autonomisen tuotannon teknologiaohjelmalle. Mikäli ohjelma päätetään käynnistää, se tapahtunee vuoden 2005 puolivälissä. Tekesin puolesta haluan kiittää selvityksen toteuttajaa EP-Logistics Oy:tä, sekä kaikkia haastatteluihin ja työpajaan osallistuneita henkilöitä. Helsingissä 31.8.2004 Juha Heinola Tekes
2
ALKUSANAT Tämä raportti on yhteenveto kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaation teknologisten kehittämistarpeiden kartoituksesta. Raportti on tarkoitettu henkilöille, jotka ovat kiinnostuneita siitä, minkälaiset teknologiset mahdollisuudet suomalaisella kappaletavarateollisuudella on parantaa kilpailukykyään yhä nopeammin muuttuvassa liiketoimintaympäristössä ja kansainvälisen kilpailun jatkuvasti kiristyessä. Tässä raportissa tarkastellaan, miten kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaatio on kehittymässä sekä mitä alueita suomalaiset yritykset tällä hetkellä näkevät keskeisimpinä kehitys- ja tutkimuskohteina. Haastateltujen ja tutkimuksen yhteydessä pidettyyn workshopiin osallistuneiden yritysten ja tutkimuslaitosten edustajien aktiivinen osallistuminen ja myötämielisyys tutkimuksen tekemiseen ovat olleet suurena apuna tämän kartoitustutkimuksen toteutuksessa. Tutkimus- ja kehittämistoiminnan näkökulmasta kartoituksen keskeisimpänä tuloksena ovat kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaatioon liittyvän teknologian tutkimus- ja kehittämistoiminnan suuntaamisen strategiset suuntaviivat. Selvityksen tuloksia on tarkoitus hyödyntää päätettäessä Tekesin aihealuetta koskevan teknologiarahoituksen suuntaamisesta lähivuosina. Tuotantoautomaation korkea taso ja sen edelleen kehittäminen ovat organisointikyvyn ohella erittäin tärkeitä tekijöitä parannettaessa suomalaisten kappaletavarateollisuusyritysten kilpailukykyä. Useilla teknologioilla ja niiden sovelluksilla on merkittävä rooli tuotantojärjestelmiä ja -automaatiota kehitettäessä. Toivomme tämän raportin osaltaan lisäävän kiinnostusta kappaletavarateollisuuden ja tuotantoautomaation tutkimukseen ja kehittämiseen. Menestyksellinen t&k-toiminta edellyttää innovatiivista asennetta, uskoa ja voimavaroja sekä yhteistyötä yritysten ja tutkimusyhteisöjen sekä julkisten tahojen välillä. Helsingissä kesäkuussa 2004 Hanna Pajunen-Muhonen, EP-Logistics Oy Pekka Korpiharju, EP-Logistics Oy Olli Sylvänne, EP-Logistics Oy 3
SISÄLTÖ MÄÄRITELMÄT...5 TIIVISTELMÄ...8 1 JOHDANTO... 10 1.1 LÄHTÖKOHDAT...10 1.2 TAVOITTEET...11 1.3 SISÄLTÖ JA TOTEUTUS...12 2 KAPPALETAVARATEOLLIS UUDEN LIIKETOIMINTAYMPÄRISTÖN MUUTOSSUUNTAUKSET... 15 3 VISIO TUOTANTOAUTOMAATION KEHITTÄMISTARPEISTA JA -ALUEISTA... 17 3.1 TAUSTA...17 3.2 VISION KUVAUS...18 3.3 HAASTATTELUIDEN TULOKSET JA PÄÄTELMÄT...21 4 TUTKIMUS- JA KEHITTÄMISALUEIDEN ANALYSOINTIA... 23 4.1 YLEISTÄ...23 4.2 JOUSTAVA TUOTANTO...24 4.3 VERKOSTOTUOTANTO...26 4.4 IHMISEN JA KONEEN VÄLINEN VUOROVAIKUTUS...28 4.5 CONCURRENT ENGINEERING...29 4.6 AUTOMATISOINTI JA MEKANISOINTI...31 4.7 TÄRKEIMMÄT TUTKIMUS- JA KEHITTÄMISALUEET...33 5 KANSAINVÄLINEN TUTKIMUS JA KEHITTÄMINEN... 37 5.1 KANSAINVÄLISTEN TUTKIMUSTEN PÄÄTEEMOJA...37 5.2 PÄÄTELMIÄ JA YHTEENVETO...44 6 JATKOTUTKIMUKSEN JA -KEHITTÄMISEN SUUNTAAMINEN JA PAINOPISTEALUEET... 45 6.1 6.2 KEHITTÄMISEN HAASTEET...45 TUTKIMUKSEN JA KEHITTÄMISEN PÄÄSUUNTAVIIVAT JA PAINOPISTEALUEET...46 6.3 MUITA TUTKIMUS- JA KEHITYSKOHTEITA...49 4
MÄÄRITELMÄT 2D koodi. Perustuu perinteiseen viivakooditeknologiaan (EAN) ja on kehittyneempi versio perinteisestä viivakoodeista. Agile Manufacturing. Ketterä tuotanto, jonka tavoitteena on nopea sopeutuminen optimaalisiin kustannuksiin ja palvelutasoon. ATO (Assemble to order). Tilaus käynnistää kokoonpanon. Bluetooth. Kansainvälinen standardi langattomalle yhteydelle, joka perustuu edulliseen lyhyen kantaman omaavaan radiolinkkitekniikkaan. CAD (Computer Aided Design). Tietokoneen avulla tehtävää suunnittelua. CIM (Computer Integrated Manufacturing). Tuotannollisten tietojärjestelmien integrointiin perustuva valmistus. CPFR (Collaborative Planning, Forecasting and Replenishment). Toimitusketjun osapuolten yhteistyössä tekemää suunnittelua, ennustamista ja täydennysten hallintaa. Peruselementtejä ovat vahva luottamus osapuolten välillä, syvällinen organisaatiorajat ylittävä yhteistyö, kassapäätetietojen (POS, point of sales) hyödyntämiseen perustuva suunnittelu, paikkansapitävät ennusteet ja niiden vaihto osapuolten välillä sekä muutoksiin herkästi reagoiva täydentäminen. CRM (Customer Relationship Management). Asiakastiedon hallinta. Demand management DCM. Kysyntäketjun hallinnalla tarkoitetaan tietovirtojen koordinoitua ohjausta koko arvoketjussa lopullisilta kuluttajilta aina raakaainetoimittajille asti. Kysyntäketjussa välitettävää tietoa ovat mm. kysyntätieto ja asiakkaiden käyttäytymiseen liittyvää tieto. DFM, DFMA (Design for Manufacturability). Systemaattinen uuden tuotesuunnitelman arviointi. Palautteen saaminen on olennaisen tärkeä osa DFM:ää ECR (Efficient customer response). Kysyntälähtöinen toimitusten hallinta, jonka tavoitteena on saada tieto ja tuotteet liikkumaan teollisuuden ja loppukuluttajan välillä mahdollisimman tasaisesti ja mahdollisimman vähäisin keskeytyksin (menekkitiedon kerääminen ja välittäminen). EDI (Electronic Data Interchange). OVT. Organisaatioiden välinen (määrämuotoisen) tiedon siirto tieto- ja teletekniikkaa käyttäen. ERP (Enterprice Resource Planning). Toiminnanohjausjärjestelmät, jotka integroivat tuotannon, talouden ja jakelun toiminnot ja optimoi yrityksen resurssit. Flexibility. Joustavuus. Tarkoittaa yrityksen kykyä sopeutua kysynnän muutoksiin. Just in Time (JIT). Juuri oikeaan aikaan. Tuotannonohjausperiaate. 5
Kaizen. Jatkuva kehittäminen. Kanban. Kortteihin ja laatikoihin perustuva tuotannonohjausmentelmä. Lean manufacturing. Hoikka tuotanto. Tuotantostrategia joka perustuu turhien toimintojen eliminointiin. Logistiikka. Materiaalivirtojen ja niihin liittyvien tietovirtojen kokonaisvaltaista hallintaa ja optimointia yli organisaatio- ja maantieteellisten rajojen. Manufacturing Resource Planning (MRP II). Tuotannonsuunnittelujärjestelmä. Tietokoneavusteinen materiaalien- ja kapasiteetin ohjausjärjestelmä. Material Requirements Planning (MRP). Materiaalinhallintajärjestelmä. Materiaalien tarvelaskentaa, jossa raaka-aineet ja komponentit hankitaan valmiiden tuotteiden tuotanto-ohjelmasta johdettujen määrien ja aikataulujen perusteella. MTA (Make to Assembly). Tilaus käynnistää kokoonpanon. MTO (Make to Order). Tilausohjautuva tuotanto. Tilaus käynnistää tuotannon. MTS (Make to Stock). Varasto-ohjautuva tuotanto. Perinteinen tapa, jossa tuotanto määräytyy arvioitujen ja tehtyjen tilausten mukaan. Paluulogistiikka (Reverse Logistics). Jätteen ja käytettyjen tuotteiden käsittelyyn liittyvä logistiikka, kierrätyslogistiikka. PDM (Product Data Management). Tuotetietojen hallinta ja tuotetietojen ylläpito sekä siirtäminen. PTO (Plan to Order). Tilaus käynnistää suunnittelun. RFID (Radio Frequency Identification). Saattomuisti kehitettiin automaattiseen tuotetunnistukseen ja tiedon keruuseen mm. varastoihin ja jakelukeskuksiin, joissa reaaliaikainen tietojen päivitys on kriittistä. RFID:n käytöllä saavutettavia etuja: tuote/pakkaus voi sisältää tietoja, tietoja pystytään muokkaamaan, lukiessa ei tarvita näköyhteyttä ja useita tunnisteita voidaan lukea samanaikaisesti. Statistical Process Control (SPC). Prosessin jatkuvaa tilastollista seurantaa, jonka tarkoituksena on varoitta, jos prosessissa tapahtuu määriteltyjen rajojen ylittämistä. Supply Chain Management (SCM). Toimitusketjun hallinta. Tavara- ja tietovirtojen koordinoitua ohjausta koko arvoketjussa raaka-ainetoimittajalta lopulliselle kuluttajalle. Tavoitteena on virtaviivaistaa toimintoja koko arvoketjun tasolla poistamalla turhia välivaiheita ja toimintoja ja mahdollistamalla materiaalin liike ilman turhia välivarastoja. Toimitusketju. Muodostuu yksittäisistä, yhteistyössä toimivista toimijoista. Toimitusketjussa materiaalia toimitetaan alkutuotannosta ja muilta raaka- 6
ainetoimittajilta markkinoille ja loppukuluttajille. Toimitusketju sisältää kaikki logistiikkaketjun osapuolet, kuten asiakkaat (loppukäyttäjät ja ketjun sisäiset asiakkaat), myynnin, jakelun ja tuotannon, raaka-ainetoimittajat ja alkutuotannon. Toimitusverkko. Kuvastaa toimintaa verkostoituneessa taloudessa, jossa yksittäinen yritys voi olla osana useissa erilaisissa toimitusketjuissa. Total Quality (TQ) or Total Quality Management (TQM). Yrityskulttuuri, jossa jatkuva kehittyminen on integroituneena osana kaikessa yrityksen toiminnassa. Tracking. Jäljitettävyys. Menetelmä, jolla seurataan tilauksen ja siihen liittyvän toimituksen kulkua läpi prosessin. Tuoteperhe (Product Family). Yhdistetty lopputuoteryhmä, jossa kaikilla lopputuotteilla on sama kriittinen resurssi. WLAN (Wireless Local Area Network). lähiverkko. Radioyhteyksiä hyödyntävä langaton 7
TIIVISTELMÄ Yhdentyvässä Euroopassa ja globalisoituvilla markkinoilla Suomen kappaletavarateollisuuden kilpailukyky on joutunut suurten muutosten eteen. Liiketoimintaympäristön muutokset ja jatkuvasti kiristyvä kansainvälinen kilpailu asettavat kappaletavarateollisuudelle yhä tiukempia haasteita. Tuotantoautomaation korkea taso ja sen edelleen kehittäminen ovat tuotteiden ja organisointikyvyn ohella erittäin tärkeä osa Suomen kappaletavarateollisuuden kilpailukykyä. Useilla teknologioilla ja niiden sovelluksilla on merkittävä rooli tuotantojärjestelmiä ja - automaatiota kehitettäessä. Tätä taustaa vasten Teknologian kehittämiskeskus Tekes käynnisti tämän selvityksen kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaatioon liittyvien teknologisten kehittämistarpeiden kartoittamiseksi. Selvityksen toteuttajana on EP-Logistics Oy. Kartoituksen tavoitteena on selvittää kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaation kehittämistarpeet ja määritellä alueelle suunnattavien panostusten painopisteitä ja sisältöä. Lisäksi kartoituksessa on selvitetty teollisuuden ja tutkimuslaitosten sitoutumista ja panostushalukkuutta aihepiiriin tutkimukseen ja kehittämiseen. Kappaletavarateollisuudella tarkoitetaan tässä yhteydessä pääasiassa kokoonpantavia tuotteita ja niiden komponentteja valmistavaa teollisuutta. Tuotantoautomaatio käsittää järjestelmätason ottaen huomioon myös ihmisen roolin osana tuotantojärjestelmää. Tuotantoautomaation keskeisiä osa-alueita ovat tuotantolaitoksen sisäinen ja ulkoinen kommunikointi eri toimintojen välillä, materiaalivirtojen ja -käsittelyn automaatio sekä tuotannon suunnittelu ja ohjaus. Kartoitukseen liittyi laaja visiointihaastatteluvaihe, joka kohdistettiin niihin yrityksiin, joilla on keskeinen asema kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaation ja teknologian kehittämisessä, edistämisessä ja käytössä (mm. merkittävimmät kotimaiset kappaletavarateollisuusyritykset, automaatiojärjestelmiä ja tuotantoteknologisia ratkaisuja kehittävät ja valmistavat yritykset). Lisäksi haastateltiin asiantuntijoita tuotantoautomaatioon ja teknologiaan erikoistuneista tutkimuslaitoksista sekä tiede- ja ammattikorkeakouluista sekä muita asiantuntijatahoja. Haastatteluita tehtiin yhteensä 34. Haastatteluissa esiin tulleiden kehittämistarpeiden täsmentämiseksi ja priorisoimiseksi järjestettiin aiheeseen liittyvä workshop, johon osallistui yhteensä 36 henkeä. Haastatteluissa tuli selkeästi esille valmistavien yritysten, teknologiavalmistajien ja tutkimuslaitosten tarve, halu ja mahdollisuudet panostaa kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaation alueelle. Tuotantoautomaation kehittämisellä pyritään parantamaan yritysten kilpailukykyä ja vastaamaan nopeasti muuttuvan toimintaympäristön haasteisiin. Tärkein tulevaisuuden kilpailukykyä parantava tekijä vaihtelee yritysten välillä. Useimmiten merkittävimpinä mainitut kilpailukykytekijät ovat reagointinopeuden lisääminen, valmistuksen yksikkökustannusten pienentäminen ja läpimenoajan nopeuttaminen sekä tuotekehitykseen liittyvät tekijät. Suurimpana uhkana suomalaiselle teolliselle valmistukselle pidetään tuotannon siirtymistä halvemman työvoiman perässä muihin maihin (esim Kiina, Venäjän rajantakaiset alueet, Baltia). 8
Kartoituksen tulosten mukaan kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaation keskeisimmät tutkimus- ja kehittämiskohteet liittyvät seuraaviin painopistealueisiin: joustava tuotanto, elinkaaren hallinta ja suunnittelu, etähallinta ja operointi, automatisointi ja mekanisointi sekä virtuaalitehdas ja -verkosto. Merkittävimmäksi tutkimuksen ja kehittämisen painopistealueeksi nousi joustava tuotanto, jonka tärkeimpiä tutkimus- ja kehityskohteita ovat nopeasti muuntuva tuotanto, nopeasti reagoiva tuotannon ohjaus ja pienevien sarjakokojen hallintaan liittyvät haasteet. Elinkaaren hallinnan ja suunnittelun osalta ensisijaisia tutkimus- ja kehittämiskohteita ovat tuotteen, valmistuksen ja automaation integroitu elinkaaren hallinta ja suunnittelu, tuotesuunnittelun ja tuotannonsuunnittelun linkittäminen ja syvempi yhteistyö (concurrent engineering), muiden prosessien huomioonottaminen (esim. tuotteen valmistettavuussuunnittelu) sekä kokonaisuuden hallinta (esim. tiedonhallinta). Etähallinnan ja -operoinnin tärkeimpiä tutkimus- ja kehityskohteita ovat globaali etäohjaus ja operointi sekä etävalvonta- ja huolto. Automatisoinnin ja mekanisoinnin osalta ensisijaisia tutkimus- ja kehittämiskohteita ovat kokoonpano ja valmistus, valmistusvaiheiden integrointi ja materiaalinsiirrot (esim. materiaalinkäsittely-yksiköiden standardointi) sekä laitekehitys ja uusien teknologioiden hyödyntäminen (konenäkö, robotiikka, automaattinen tunnistus sekä mobiiliteknologia). Virtuaalitehtaan ja -verkoston tärkeimpiä tutkimus- ja kehityskohteita ovat digitaalinen tehdas, simulointi sekä verkoston hallinta ja ylläpito. Lisäksi kartoituksessa nousi esiin muita tutkimus- ja kehittämiskokonaisuuksia jatkotutkimus- ja kehityshankkeiden t&k-rahoituksen suuntaamisen suunnittelussa huomioitavaksi. Haastatteluissa ja workshopissa useimmiten esiintuotuja muita yksittäisiä tutkimusaluekokonaisuuksia ovat yksinkertainen pk-yrityksen tuotantoautomaatio sekä ideaalitehdas. 9
1 JOHDANTO 1.1 Lähtökohdat Yhdentyvässä Euroopassa ja globalisoituvilla markkinoilla Suomen kappaletavarateollisuuden kilpailukyky on joutunut suurten muutosten eteen. Liiketoimintaympäristön muutokset ja jatkuvasti kiristyvä kansainvälinen kilpailu asettavat kappaletavarateollisuudelle yhä tiukempia haasteita. Tuotantoautomaation korkea taso ja sen edelleen kehittäminen ovat organisointikyvyn ohella erittäin tärkeä osa Suomen kappaletavarateollisuuden kilpailukykyä. Useilla teknologioilla ja niiden sovelluksilla on merkittävä rooli tuotantojärjestelmiä ja -automaatiota kehitettäessä. Tämän seurauksena Teknologian kehittämiskeskus Tekes päätti vuoden 2003 lopulla käynnistää selvityksen kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaatioon liittyvien teknologisten kehittämistarpeiden kartoittamiseksi. Kappaletavarateollisuudella tarkoitetaan tässä yhteydessä pääasiassa kokoonpantavia tuotteita ja niiden komponentteja valmistavaa teollisuutta. Selkeimmin pois rajattavia aloja ovat prosessiteollisuuden toimialat, esim. paperi-, kemian-, lääke- ja elintarviketeollisuus sekä materiaalien jalostus. Tuotantoautomaatio käsittää järjestelmätason ottaen huomioon myös ihmisen roolin osana tuotantojärjestelmää. Tuotantoautomaation keskeisiä osa-alueita ovat tuotantolaitoksen sisäinen kommunikaatio eri toimintojen välillä, materiaalivirtojen ja -käsittelyn automaatio sekä tuotannon suunnittelu ja ohjaus. Tilastollisesti kilpailukyvyn kannalta tärkeimmät teknologiset tekijät ovat halu ja taito ottaa käyttöön uusimpia valmistusmenetelmiä ensimmäisten joukossa sekä itse kehitetyt tuotantojärjestelmät, joita toisilla ei ole (Schroeder & Flynn, 2001). Vaikka tehokkaat valmistusmenetelmät ovat kilpailukyvyn kannalta tärkein yksittäinen tekijä, ei kilpailukykyä voi rakentaa pelkästään niiden varaan. Jatkuvasti uusiutuvat, kilpailukykyiset tuotteet yhdessä kilpailukykyisten valmistusprosessien kanssa takaavat vasta kilpailukyvyn jatkuvuuden. Olennaista kilpailukyvyn kannalta on tieto- ja viestintäteknologian monipuolinen, innovatiivinen käyttö. Tuotannollisten yritysten näkökulmasta kehittämisen avainsanoja ovat lisäksi kokonaisuuksien hallinta, avoin toimintakulttuuri sekä jatkuvan toiminnan kehittämisen ideologia. Useilla teknologioilla ja niiden sovelluksilla tulee olemaan keskeinen rooli tuotantojärjestelmiä ja automaatiota kehitettäessä, esim.: Tietojärjestelmät (integraatio, modulaarisuus, reaaliaikaisuus) kokonaisvaltaiset ohjausjärjestelmät (standardit, rajapinnat) Tunnistus-, paikannus- ja seurantateknologiat (näköjärjestelmät, RFID) Hajautettu äly, älykkäät toimilaitteet ja anturit Mobiili tiedonsiirto ja langaton kommunikointi. Strategiset valinnat ovat kilpailukyvyn säilyttämisen kannalta tärkeimpiä (Schroeder & Flynn, 2001. Menestymisen kannalta ratkaisevaa on mm. avoin kommunikointi, joka lisää innovaatioiden sisäistä hyödyntämistä sekä kehittämiskohteiden 10
strategisesti hallittu toteuttaminen. Suomalaisen kappaletavarateollisuuden näkökulmasta kilpailukyky voi pohjautua esim. sellaisten tuotteiden valmistukseen, jossa on oleellista tuotannon ja markkinoiden läheisyys (mm. alhaiset siirtokustannukset, säilyvyysongelmat tms.) korkea-automaatioaste koko valmistuksessa korkea teknologiataso valmistusprosesseissa työntekijöiden korkeahko koulutustaso pienerien valmistaminen pitkälle automatisoidulla tavalla toimiva ja luotettava infrastruktuuri. 1.2 Tavoitteet Tutkimus on luonteeltaan kartoitus, ja sen päätavoitteena on selvittää kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaation kehittämistarpeet määritellä alueelle suunnattavien panostusten painopisteitä ja sisältöä selvittää teollisuuden ja tutkimuslaitosten sitoutumista ja panostushalukkuutta aihepiiriin tutkimukseen ja kehittämiseen. Tutkimuksen yhteydessä on kartoitettu myös kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaation ja -teknologian kehityssuuntaukset sekä uusimmat sovellukset ja ratkaisut Keski-Euroopassa, USA:ssa, ja Japanissa. Kartoituksen tuloksena Tekes ja kotimaiset yritykset saavat uusinta tietoa ja osaamista nopeasti muuttuvasta kappaletavarateollisuuden liiketoimintaympäristöstä. Tilaajan näkökulmasta keskeisimpänä tuloksena ovat kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaatioon liittyvän teknologian tutkimus- ja kehittämistoiminnan suuntaamisen strategiset suuntaviivat. Selvityksen tuloksia hyödynnetään päätettäessä Tekesin aihealuetta koskevan teknologiarahoituksen suuntaamisesta lähivuosina. Selvityksen taustalla vaikuttavat useat sekä käynnissä olevat että päättyneet selvityksen aihepiiriä sivuavat Tekesin teknologia-ohjelmat. Aihepiiriä sivuavia, käynnissä olevia teknologiaohjelmia ovat mm.: ÄLY - Älykkäät automaatiojärjestelmät ELO Elektronisen liiketoiminnan logistiikka. Aihepiiriä sivuavia, päättyneitä teknologiaohjelmia ovat mm.: UTT - Uusi teollinen toimintatapa Oppivien ja älykkäiden järjestelmien sovellukset LASSI Kevyt kokoonpanotuotanto Mallitehdaskonseptin kehittäminen Nopeat tuotantojärjestelmät RASKO Keskiraskaan ja raskaan kokoonpanotoiminnan kehittäminen. 11
1.3 Sisältö ja toteutus Tutkimus rakentuu seitsemästä vaiheesta, jotka ovat kiteytettynä kuvassa 1. Työvaiheiden sisältö on kuvattu jäljempänä tekstissä. Katsaus kappaletavarateollisuuden keskeisiin liiketoimintaympäristön muutossuuntauksiin Alan kotimaisen sekä kansainvälisen kehityksen ja tutkimuksen kartoitus Visio kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaation ja teknologian muutosvaatimuksista ja kehittämistarpeista Haastattelut Kappaletavara -teollisuuden kärkiyritykset Tutkimuslaitokset ja korkeakoulut (tuotantoautomaatio ja -teknologia) Muut asiantuntijatahot Tarkennettu visio sekä laajennetut muutosvaatimukset ja kehittämistarpeet Kehittämistarpeiden täsmentäminen ja priorisointi (workshop ja kyselytutkimus) Kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaatioon liittyvät teknologiset kehittämistarpeet ja ja painopistealueet Kuva 1. Tutkimuksen rakenne ja vaiheet Tutkimuksen lähtökohtana on katsaus kappaletavarateollisuuden keskeisiin liiketoimintaympäristön muutossuuntauksiin. Tässä on keskitytty kuvaamaan ne muutossuuntaukset, jotka asettavat kappaletavarateollisuudelle uusia haasteita ja kehittämistarpeita sekä lähitulevaisuudessa että pidemmällä aikajänteellä. Tavoitteena on ollut tuoda esiin ne seikat, jotka vaikuttavat kappaletavarateollisuuden muutostilaan ja kehittämistarpeisiin. Alan kotimaisen ja kansainvälisen kehityksen ja tutkimuksen kartoituksessa on kotimaan osalta hyödynnetty Tekesin aihepiiriä sivuavien teknologiaohjelmien tuloksia sekä EP-Logistics Oy:n kiinteitä suhteita korkeakouluihin, yliopistoihin, 12
tutkimuslaitoksiin ja yrityksiin. Kansainvälisessä selvityksessä on keskitytty Keski- Eurooppaan, USA:han ja Japaniin. Työvaiheessa on hyödynnetty lisäksi EP-Logistics Oy:n koordinoiman Tulevaisuuden Keräilyjärjestelmät -hankkeen 1 (päättynyt keväällä 2004) järjestelmien ja tekniikoiden -kartoitusvaiheen tuloksia. Keräilyjärjestelmät - hankkeessa kartoitettiin kotimaassa ja ulkomailla tehtyjä tutkimuksia sekä laitteistotoimittajien tarjontaa ja visioita mm. seuraavilta alueilta: Älykkäisen robottien hyödyntäminen kokoonpanossa nyt ja tulevaisuudessa Laitevalmistajien tarjonta Integraattorien tarjonta ja sovelluskohteet Viivakoodien ja RFID:n hyödyntäminen kokoonpanossa Konenäön soveltamismahdollisuudet Kappaleiden liikkeestä poiminta Laadunvalvonta Kappaleiden poiminta satunnaisesta järjestyksestä Konenäön rajoitteet ja mahdollisuudet. Tutkimuksen ensimmäisten vaiheiden tulosten perusteella laadittiin visio kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaation ja teknologian muutosvaatimuksista ja kehittämistarpeista. Visio pohjautuu liiketoimintaympäristön muutostekijöiden asettamiin kappaletavarateollisuuden haasteisiin, ja se koostuu mm. suuntaa-antavista näkemyksistä sekä kehitys- ja muutostarpeita kuvaavista väittämistä. Visio pyrittiin rakentamaan selkeään ja nopeasti omaksuttavaan muotoon, jotta sitä voitiin hyödyntää selvityksen haastatteluvaiheessa. Selvityksen haastatteluvaiheen haastattelut olivat luonteeltaan sekä asiantuntijahaastatteluita että workshop-tyyppisiä keskustelu- ja ideointitilaisuuksia. Haastattelut jakaantuvat kolmeen osaan: 1) Kehityksen edelläkävijä- ja kärkiyritykset kappaletavarateollisuuden yritykset automaatiojärjestelmiä valmistavat yritykset 2) tuotantoautomaatioon ja teknologiaan erikoistuneet tutkimuslaitokset sekä tiede- ja ammattikorkeakoulut 3) muut asiantuntijatahot. Kehityksen edelläkävijä- ja kärkiyrityksillä tarkoitetaan tässä yhteydessä niitä yrityksiä, joilla on keskeinen asema kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaation ja teknologian kehittämisessä, edistämisessä ja käytössä (mm. merkittävimmät kotimaiset kappaletavarateollisuusyritykset, automaatiojärjestelmiä ja tuotantoteknologisia ratkaisuja kehittävät ja valmistavat yritykset). Lisäksi haastateltiin asiantuntijoita tuotantoautomaatioon ja teknologiaan erikoistuneista tutkimuslaitoksista sekä tiede- ja ammattikorkeakouluista. Muita asiantuntijatahoja ovat mm. aihepiiriä sivuavat tutkimuslaitokset, viranomaistahot sekä alalla vaikuttavat asiantuntijayhdistykset. Haastatteluita tehtiin yhteensä 34, ja niihin osallistuneet organisaatiot ja henkilöt on esitetty liitteessä 1. Haastatteluissa esiintulleiden kehittämistarpeiden täsmentämiseksi ja priorisoimiseksi järjestettiin aiheeseen liittyvä workshop, jonne kutsuttiin haastatteluissa mukana olleet 1 Liikenne- ja viestintäministeriön VALO-ohjelma 2001-2004 (www.valo-ohjelma.fi) 13
tahot, muita kappaletavarateollisuusyrityksiä sekä laajennettu asiantuntijaryhmä (mm. tutkimuslaitokset sekä tiede- ja ammattikorkeakoulut). Workshopiin osallistui yhteensä 36 henkeä. Osallistujat on esitetty liitteessä 2. Edellä selostettujen vaiheiden tulosten pohjalta voitiin määritellä kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaatioon liittyvän teknologian kehitysalueet ja osoittaa tutkimustarpeet. Tuloksista on laadittu tämä loppuraportti Kartoitus kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaation teknologisista kehittämistarpeista. Raportissa on pyritty hakemaan selkeä näkökulma siihen, mitkä kappaletavarateollisuuteen liittyvät tekniikat, rakenteet ja filosofiat luovat pohjan kestävälle kehitykselle kilpailukykyisemmälle kappaletavarateollisuudelle Suomessa. 14
2 KAPPALETAVARATEOLLISUUDEN LIIKETOIMINTAYMPÄRISTÖN MUUTOSSUUNTAUKSET Teollisuusyritykset elävät kaikkialla maailmassa voimakkaan muutoksen aikaa. Myös Suomessa globaalin kilpailun kiristyminen ja kansainvälistymisen nopeutuminen vaikuttavat liiketoimintaympäristön muuttumiseen. Valmistavan teollisuuden 2000- luvun toimintaympäristö rakentuu nopeasti muuttuvista markkinoista, jatkuvasti ilmaantuvista ja kehittyvistä uusista teknologioista sekä globaalisti toimivista kilpailijoista. Koko yritysmaailman globalisoituessa myös yrityskoot kasvavat ja toiminnot keskittyvät. Valmistavassa teollisuudessa tämä näkyy erityisesti tuotannon keskittämisenä, kustannusten alentamispaineina ja uusina toiminta- ja markkinaalueina (erityisesti Kiina, Venäjä, Baltia, Etelä-Amerikka). Samalla tuotantopaikan ja loppukuluttajan välinen etäisyys kasvaa. Toimitusketjut pidentyvät ja lujittuvat ja toimitusketjuissa tarvitaan todellista yhteistoimintaa. Samalla yhteistoiminnan ja läpinäkyvyyden ulottuvuus kasvaa (toimittajan toimittaja toimittaja oma yritys asiakas asiakkaan asiakas) (vrt. kuva 2). Tämä puolestaan lisää prosessien standardointi- ja joustavuusvaateita. 100 Nykytila Tulevaisuus HANKI VALMISTA TOIMITA 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 T H V T H V T H V T H TOIMITTAJAN TOIMITTAJA TOIMITTAJA -sisäinen tai -ulkoinen OMA YRITYS ASIAKAS -sisäinen tai -ulkoinen 3PLs 3PLs 3PLs 3PLs ASIAKKAAN ASIAKAS Kuva 2. Toimitusketjun hallinnan ulottuvuus (Lähde: ELA 2003) Yritykset tulevat sekä teollisuuden että kaupan alalla jatkossa keskittymään entistä enemmän omiin ydinosaamisalueisiinsa ja ulkoistamisen trendi lisääntyy. Tämän seurauksena toimintaympäristö monimutkaistuu (kompleksisuus) ja ulkoisten resurssien hallinnan merkitys korostuu. Toimitusketjuissa ja verkostoissa tiedon 15
määrä ja sen suodatus -tarve lisääntyvät. Menestyminen tulee entistä voimakkaammin riippumaan kyvykkyydestä monipuoliseen verkostoyhteistyöhön. Tuotteiden osalta asiakaslähtöisyys lisääntyy. Tuote- ja palveluvariaatioiden määrä lisääntyy ja toiminnassa siirrytään segmentoituihin konsepteihin sekä massa- ja asiakaskohtaiseen räätälöintiin. Läpimenoaikavaateet ja tuotteiden elinkaaret lyhentyvät entisestään. Samalla tuotteiden ylläpitovastuuaika lisääntyy ja palvelut, huolto ja varaosapalvelut muodostuvat entistä tärkeämmiksi. Tuotesuunnittelun merkitys lisääntyy ja siltä edellytetään entistä syvällisempää yhteistyötä ja linkittymistä valmistuksen suunnittelun kanssa. Tuotesuunnittelu luo myös perustan toimitusketjun hallintaan. Valmistusstrategioilta edellytetään tukea globaalin kilpailukyvyn parantamiselle, uusien innovatiivisten tuotteiden kehitykselle, suunnittelulle ja markkinoilletulon nopeuttamiselle sekä reagoivuutta nopeasti muuttuviin markkinaolosuhteisiin. Valmistusjärjestelmien tulee edelleen pohjautua kustannustehokkuuteen ja laatuun, mutta tämän lisäksi niiltä odotetaan entistä vahvempaa aikaperusteista ohjautuvuutta. Varsinaisiksi kilpailuedun lähteiksi ovat nousemassa nuukuus (lean production), joustavuus, ketteryys ja reagoivuus. Valmistusjärjestelmien tulisi pystyä vastaamaan mm. seuraaviin haasteisiin: Integraatio (yrityksen sisäinen ja ulkoinen) Hajautettu organisaatio (hajautetut tietämyspohjaiset järjestelmät linkitettynä kysynnän hallinnasta resurssi- ja kapasiteettisuunnitteluun ja aikataulutukseen) Heterogeeninen ympäristö ja yhteentoimivuus (IT- ja ohjausjärjestelmien sekä laitteiden sopeutuvuus erilaisiin ympäristöihin) Avoimuus, dynaamisuus ja skaalautuvuus Yhteistoiminta (toimittajat, partnerit ja asiakkaat) Ihmisen rooli osana valmistusjärjestelmää (tietämyksen hallinta, ihmisen ja koneen välinen vuorovaikutus) Ketteryys ja joustavuus (nopea reagoiminen toimintaympäristön muutoksiin, lyhyemmät tuotannon läpimenoajat ja nopeampi vastaaminen muuttuviin asiakasvaateisiin). Ketterä tuotanto on nopeasti uudelleenkonfiguroitavissa ja pystyy toimimaan erilaisten järjestelmien ja partnereiden muodostamissa verkostoissa. Valmistavan teollisuuden toimintaympäristömuutosten keskeisimmät haasteet voidaan yhteenvedon omaisesti tiivistää seuraaviin tekijöihin: Globaalit markkinat ja kilpailu vs. globaalit palvelut ja tuotteet Asiakasvaatimusten lisääntyminen Organisaatioiden ja niiden muodostamien verkostojen ketteryys, reagoivuus ja joustavuus Nopeat teknologiset muutokset Toimittajasuhteet ja kumppanuus entistä dynaamisemmissa toimitusketjuissa Osaamisen ja tietämyksenhallinnan merkityksen lisääntyminen. 16
3 VISIO TUOTANTOAUTOMAATION KEHITTÄMISTARPEISTA JA -ALUEISTA 3.1 Tausta Kartoituksen alussa muodostettiin tarkastelun pohjaksi ja haastatteluissa käytettäväksi työkaluksi visio kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaation keskeisistä kehittämisalueista. Visiossa tuotiin esiin mahdollisia muutossuuntia tai kehitystrendejä liittyen kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaation kehittymiseen ja kehitystarpeisiin. Visio perustuu kappaletavarateollisuuden liiketoimintaympäristön muutossuuntauksiin, kartoitukseen kansainvälisestä kappaletavarateollisuuden T&Ktoiminnasta, EP-Logisticsin ja projektiryhmän asiantuntemukseen ja aikaisempiin hankkeisiin sekä näiden pohjalta toteutettuun projektiryhmän sisäiseen roadmaptyöskentelyyn. Visio rakennettiin niin, että se mahdollisti asioiden tarkastelun seuraavista eri näkökulmista: Kilpailutekijät Järjestelmät Yksittäiset teknologiat. Visio kiteytettiin esitettyjen taustatekijöiden ja haasteiden pohjalta visuaaliseen muotoon, joka on esitetty kuvassa 3. Simulointi? Automaattinen tunnistaminen Ennustaminen Tietojärjestelmät Mobiiliteknologia Konenäkö Teknologiat Tuotannon suunnittelu ja ohjaus Materiaalinkäsittelyn automaatio Materiaalinkäsittelyn Standardisointi? Muuntuva tehdas Prosessiajattelu Asetusaikojen pienentäminen Ihmisen ja koneen/järjestelmän välinen kommunikaatio Järjestelmät, filosofiat Kuva 3. Alustava visio kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaation kehittämisalueista Visuaalisen esityksen lisäksi kunkin osa-alueen osalta kuvattiin siihen liittyviä ympäristön muutoksia, keskeisiä osa-alueita sekä kilpailutekijöitä, joita kehittämisellä tavoitellaan. Osa-alueiden sisältö on kuvattu tarkemmin seuraavassa tekstissä (kohta 4.2). Kuvassa 4 on esitetty kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaation vision taustalla vaikuttavia tekijöitä. 17
Ympäristön muutokset Ympäristön muutokset Ympäristön muutokset Ympärist ön muutokset Ympäristön muutokset Ympäristön muutokset Ympäristön muutokset Kilpailutekijät Läpimenoajan nopeuttaminen Läpimenoajan nopeuttaminen Valmistuksen yksikkökustannusten aleneminen Yksittäinen -teknologia -järjestelmä -filosofia Reagointinopeuden parantaminen Toiminnallisen laadun laadun paraneminen Tuotelaadun paraneminen Tuotelaadun paraneminen Työturvallisuuden paraneminen Muuta, mitä? Muuta, mitä? Kuva 4. Vision taustalla vaikuttavia tekijöitä Visiointihaastatteluita tehtiin yhteensä 34 yrityksessä ja organisaatiossa 2, ja ne jakaantuivat seuraavasti: Kappaletavarateollisuusyritykset (19) Teknologiavalmistajat (8) T&K, asiantuntijat ja sidosryhmät (7). 3.2 Vision kuvaus Haastatteluissa työkaluna käytetty visio kappaletavarateollisuuden tuotantoautomaation alustavista ja suuntaa-antavista, keskeisistä kehittämisalueista voidaan kiteyttää seuraaviin pääkohtiin: Tietojärjestelmien integroimisen merkitys lisääntyy toimintaympäristön monimutkaistuessa ja kompleksisuuden lisääntyessä. Yhä suurempia tietomääriä on pystyttävä käsittelemän yhä tehokkaammin ja tiedon läpinäkyvyys lisääntyy toimitusverkostoissa. Tietojärjestelmien osalta keskeisiä kehittämiskohteita voivat olla esim. tietojärjestelmäintegraatio sekä toimintojen että toimitusverkon toimijoiden välillä, modulaarisuus. tietojärjestelmän elinkaaren hallinta, standardisointi sekä tiedonkeruu-, varastointi- ja analysointijärjestelmät. Tietojärjestelmäintegraation avulla pyritään lisäämään joustavuutta ja parantamaan toiminnan laatua, hallittavuutta sekä kustannustehokkuutta. 2 Haastatteluiden toteutus on kuvattu tarkemmin tämän raportin kohdassa 2 sekä liitteessä 1. 18
Automaattinen tunnistus on usein perusehto pitkälle automatisoiduissa materiaalinkäsittelyjärjestelmissä ja keskeinen keino prosessien ja toimintojen nopeuttamisessa sekä laadun parantamisessa. Kappaletavarateollisuudessa tunnistusta tarvitaan useissa tehtaan ja yrityksen sisäisissä toiminnoissa. Toimitusverkostossa automaattinen tunnistus tukee hajautettua ja toimintavarmempaa toimintatapaa. Hyöty ulottuu koko toimitusverkostoon, kun lähettäjä varustaa tuotteet tai toimituserät hyvin tunnistein. Automaattisen tunnistuksen keskeisiä kehittämis- ja sovelluskohteita ovat esim. viivakoodit, saattomuistit (RFID, älytarrat), hahmontunnistus, äänentunnistus, älykortit sekä biometrinen tunnistus. Simulointi mahdollistaa uusien nopeasti hyödynnettävien menetelmien ja työkalujen kehittämisen toiminnan suunnitteluun muuttuvassa toimintaympäristössä. Verkostoituvassa toimintaympäristössä toimintamallit saattavat muuttua hyvinkin nopeasti, puskureita pyritään pienentämään kustannustehokkuuden lisäämiseksi ja ohjauspäätökset on tehtävä entistä nopeammin. Lisäksi yhä laajemman joukon on ymmärrettävä kokonaisuus ja tarvitaan menetelmiä, jotka ottavat huomioon järjestelmien dynamiikan. Simuloinnin keskeisiä kehittämiskohteita saattavat olla esim. simulointimenetelmien ja simulaattoreiden hyödyntäminen ja kehittäminen, tuotannon suunnittelu ja ohjausratkaisut, automaation tietojärjestelmien testaus, materiaalinkäsittelyjärjestelmien toiminnan varmentaminen ja kapasiteettimitoitukset, tuotantokapasiteetin mitoitus ja käyttötarkastelut (investoinnit), toimintatapojen kehittäminen ja suorituskyvyn optimointi sekä ennakointi ja koulutus. Ennustamisen merkitys koko toimitusverkossa lisääntyy, vaikka yksittäiset yritykset pyrkivät ohjaamaan omaa toimintaansa reaaliaikaisen kysyntä- ja menekkitiedon pohjalta. Tiedon saantimahdollisuudet toimitusketjun eri osapuolten välillä ovat useissa tapauksissa oleellisesti parantuneet tietojärjestelmien ja verkottumisen myötä. Koko toimitusketjun kattavalla ennustamisella pyritään ensisijaisesti parantamaan reagointinopeutta sekä ennakoimaan paremmin kysynnän ja tarjonnan muutoksia. Mobiiliteknologian merkitys kasvaa reaaliaikaisuustarpeen lisääntyessä. Keskeisiä kappaletavarateollisuuden kehittämis- ja sovelluskohteita voisivat olla esim. työtä tehostavat vaikutukset, monipuoliset sovellusmahdollisuudet tuotantoautomaatiossa, WLAN, bluetooth, peliteknologian hyödyntäminen, java-puhelimet sekä liikkuva käyttäjä ja mukana kulkevat päätelaitteet. Konenäköjärjestelmien hyödyntämismahdollisuudet lisääntyvät laskentatehon kasvun ja tunnistusalgoritmien kehittymisen myötä. Samalla tarkempi ja monimutkaisempi tunnistus on tullut mahdolliseksi ja luotettavuus on lisääntynyt. Järjestelmiä voidaan hyödyntää myös muulla kuin näkyvän valon alueella. Kappaletavarateollisuudessa konenäölle on löydettävissä monipuolisia soveltamismahdollisuuksia: Manuaalikokoonpanon seuranta Kappaleiden liikkeestä poiminta Laadunvalvonta Kappaleiden poiminta satunnaisesta järjestyksestä Esim maalauksen ja puhdistuksen automaatio, nahkojen valinta, tracking (esim kontit) Virtuaalinäytöt, hanskat Elektroniset työohjeet 19