تصنيع افتراضي

Virtual manufacturing -

التصنيع الافتراضي

أميمة الدكاك

أدوات التطوير

خطوات لإنشاء التصنيع الافتراضي

أمثلة وتطبيقات

التصنيع الافتراضي virtual manufacturing هو استخدام إجرائيات تصنيع بالمحاكاة والنماذج الحاسوبية. ويمكن لهذه الأدوات أن تساعد على الإنتاج وعلى تصميم النماذج الإنتاجية المراد تصنيعها، ويضيف المصنّع الافتراضي عادة إجرائيات محاكاة تحليلية في أثناء عملية الإنتاج؛ ليضمن موثوقية عالية في العملية برمّتها.

يعد التصنيع جزءاً أساسياً في الاقتصاد، وهو النشـاط المركزي الذي يشـمل المنتج والإجرائيات والموارد والتخطيط. ولما كانت المنتجات تزداد تعقيداً والإجرائيات تزداد تطوراً وتستخدم تقانات صغرية في الإلكترونيات والميكانيك، ولما كانت احتياجات السوق تتطور بسرعة أيضاً ممّا يتطلب مرونة وذكاء في التصنيع؛ فقد جاء التصنيع الافتراضي استجابة طبيعية لكل هذه المتطلبات ولاسيما أن المؤسسات التصنيعية قد تنشر مصانعها على بقع جغرافية متباعدة، وتربط فيما بينها بدفق من المعلومات والمعرفة والمواد. في هذه البيئة المعقدة المتطورة يجب أن يعلم المصنعون إجرائياتهم قبل تجريبها؛ لتكون صحيحة عند تنفيذها من أول مرّة.

قبل وجود التصنيع الافتراضي تركزت تقنيات التصميم design techniques على المفاهيم، وليس على الوظائف. أما الآن فيسمح تصنيع الحقيقة الافتراضي virtual reality للمصممين بإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد للمنتَج ثم اختبار فعالية أدائه افتراضياً. وبسبب هذه الطبيعة الافتراضية فإن هذا النوع من التصنيع يسمح للشركات بخفض مقدار المال الذي تنفقه على المواد وتكاليف الإنتاج والضمانات، ويبين أثر المنتج في البيئة. على سبيل المثال، يمكن لمصنّع السيارات أن يستخدم التصنيع الافتراضي؛ ليصمم مكوناً في محرك السيارة، ولأنه لن يبني أجزاء المكون الفعلي؛ فهو سيوفر المال.

تعمل الشركات دائماً على أمثَلَة optimization المنتج قبل طرحه للبيع. ويتطلب هذا بدوره تحديد المعاملات التي تؤدي دوراً بارزاً في جودة المنتَج، ومنها: شكله النهائي وطول مدة حياته وقابليته للتصنيع ومستويات الإجهاد التي يتحملها وغيرها. إضافة إلى ذلك، يفيد التصنيع الافتراضي برفع فعالية الإنتاج الزمنية إذ عوضاً عن بناء النماذج الفيزيائية مرات ومرات؛ يمكن تغيير التفاصيل المهمّة للمنتَج افتراضياً بطريقة أسرع؛ ممّا يسرع تسليم المنتج النهائي إلى السوق.

يعتمد التصنيع الافتراضي على تحليل العناصر المنتهية finite element analysis؛ إذ يستخدمه المصممون والمهندسون لمحاكاة سلوك البنيانات المختلفة. وقد استُخدمت هذه التقانة في محاكاة تدفق السوائل وانتشار الحرارة وفي الكهرطيسية. وكان التصنيع الافتراضي قد استُخدم بداية بفعالية في صناعة السيارات والسفن الفضائية.

يمكن ببساطة عدّ التصنيع الافتراضي تصنيعاً ضمن الحاسوب أو أنه تصنيع منتجات افتراضية، ولعل أشمل التعاريف للتصنيع الافتراضي هو الذي قدَّمه معهد بحوث النظم في جامعة ماريلاند Maryland الأمريكية، وهو أنه بيئة تصنيع تكاملية صنعية تُمارَس بهدف تحسين مستويات القرار والتحكم. وقد جرى تمثيل عملية التصنيع الافتراضي بالشكل (1)، وفيما يلي المفاهيم المرتبطة بها:

الشكل (1) التصنيع الافتراضي.

1- البيئة: في التعريف البسيط الذي يعدّ التصنيع الافتراضي تصنيعاً ضمن الحاسوب فإن بيئة التصنيع هي الحاسوب، الذي يدعم الإنشاء، ويزوَّد بأدوات ونماذج وتجهيزات ومنهجيات ومبادئ لتنظيم إجرائيات التصنيع.

2- الممارسة: وهي الأدوات البرمجية أو الأغراض التي تنشئ محاكاة تصنيع محددة وتنفّذها مستخدمة البيئة التي يمكن أن تتكون من أغراض حقيقية أو افتراضية (محاكاة) ونشاطات وإجرائيات. وهي إذاً المسؤولة عن المحاكاة والتنبؤ بالمواصفات للأغراض التي يُراد تصنيعها.

3- التحسين: وهو عملية ضبط معاملات التصنيع عبر إجرائيات أمثَلَة، يتلوها عملية التركيب (التصنيع الحاسوبي) للمنتَج قيد التحسين للتأكد من تحسين المواصفات. وتزيد هذه العملية القيمة المضافة ودقة المنتجات المصنعة لاحقاً وصحتها.

4- مستويات التصنيع: وتشمل مفهوم إيجاد المنتج حتى رميه بعد إنهاء استخدامه، ومن تجهيزات المصنع إلى الشركة إلى ما وراء ذلك، كما تشمل تحويل المواد إلى نتاج معرفي.

5- القرار: ويأتي ليتوج جميع الإجرائيات، وهو العقل المدبر نوعاً ما لإجرائية التصنيع كاملةً؛ ومنها نتيجة التغيّرات، وذلك بإظهار النتائج والمنتجات وتنظيمها وتحديد البدائل عند الحاجة.

هنالك ثلاثة إمكانات للتصنيع الافتراضي:

1- التصنيع الافتراضي المعتمد على التصميم design based virtual manufacturing: يزوِّد المصمم بمعلومات التصنيع في أثناء مرحلة التصميم. وهو على المدى القصير استخدام المحاكاة المعتمدة على التصنيع بهدف أمثَلَة تصميم المنتج وإجراءات التصنيع لهدف تصنيعي محدد: مثل التصميم لأهداف التجميع أو تحسين النوعية أو المرونة. أما على المدى البعيد فهو استخدام محاكاة الإجرائيات لتقويم عدة سيناريوهات إنتاج على عدة مستويات من الموثوقية والمدى، للمساعدة على اتخاذ قرارات بشأن التصميم والإنتاج.

2- التصنيع الافتراضي المعتمد على الإنتاج production based virtual manufacturing: يستخدم إمكانات المحاكاة لنمذجة إجراءات التصنيع بهدف تقويم عدة بدائل تصنيع تقويماً سريعاً ورخيص التكلفة.

3- التصنيع الافتراضي المعتمد على التحكمcontrol based virtual manufacturing : إضافة المحاكاة إلى التحكم في النماذج والإجرائيات الفعلية؛ ممّا يسمح بمحاكاة سلسلة من عمليات الأمثَلة خلال دورة الإنتاج الفعلية.

للتصنيع الافتراضي فوائد جمة، فهو يساعد الصناعيين على تسليم منتجات مضمونة النوعية خلال المدد المحددة، ويخفض زمن التسويق بخفض عدد النماذج الأولية، كما يقلّل المواد الضائعة والتكاليف.

أدوات التطوير

ثمة نشاطان أساسيان في التصنيع الافتراضي، هما: النمذجة modeling والمحاكاة simulation:

- يجب في النمذجة تحديد الأغراض المراد نمذجتها ودرجة التجريد المطلوبة. ولما كان النموذج لا يطابق الواقع، وإنما يختصره إلى ماتُراد رؤيته من الواقع لحاجة محددة، هي التصنيع؛ فلا بد من اختيار الأغراض اللازمة وما تُراد رؤيته منها. على سبيل المثال: يمكن أن يكون من الأغراض المراد نمذجتها هيكل السيارة، ويمكن أن تتضمن درجة التجريد المادة التي يُصنع منها (والتي تُعرَّف بمحدّدات مثل الوزن النوعي والمتانة ودرجات الحرارة التي يتحملها والقساوة والإجهاد)، والشكل والأبعاد (التي يمكن أن يكون لها دور في جمالية السيارة وصنفها...).

- ويُسعى في المحاكاة إلى تمثيل النموذج حاسوبياً وربطه مع استجابة النظام الحقيقية بدرجة معيّنة من الدقة. ومع أن أدوات المحاكاة تبدو غالباً أنها النشاط الأساسي في التصنيع الافتراضي؛ فإنّ الباحثين أشاروا إلى تقانات أساسية في هذا المجال: وهي تمثل ما يمكن أن يقوم به التصنيع الافتراضي، وتقانات التمكين الضرورية لبناء التصنيع الافتراضي، وتقانات الإظهار التي لا يمكن من دونها بناء التصنيع الافتراضي، وأخيراً التقانات العامة، وهي التقانات الواسعة الاستخدام.

تميل معظم مؤسسات التصنيع الافتراضي إلى إنشاء شبكات تعاونية تتبادل المعرفة فيما بينها بحيث يختص كل منها بإنتاج جزء من منتجات أكبر، وتبقى المحاكاة والأمثلة والتحقق ممكنة على المنتج الكلي. ويتكون الفضاء الإلكتروني التعاوني لهذه التطبيقات من خدمات إدارة الملفات والبريد الإلكتروني والنشر واللقاءات الإلكترونية إضافة إلى أدوات التعلم الإلكتروني وأدوات تحديد المجتمع التعاوني؛ ممّا يسمح بتعاون أركان التصنيع وإن كانت متباعدة جغرافياً.

خطوات لإنشاء التصنيع الافتراضي

1- تحديد خواص التصنيع: التقاط المتحولات التي تؤثر في تحويل المواد في أثناء عملية التصنيع وقياس هذه المتحولات وتحليلها (تمثيل المنتَج و/أو الإجرائية، التصميم باستخدام السمات، سلوك النظام...).

2- تقانات النَّمذَجة والتمثيل: تزوّد بعدة نماذج للتمثيل والتجريد والمعايرة وتعدد الاستخدامات وغيرها. تتعلق هذه النماذج بالتصميم والتصنيع بحيث يمكن تشارك المعلومات بين جميع التطبيقات البرمجية (نظم قواعد معرفة، لغات ونظم غرضية التوجّه، النمذجة المعتمدة على السمات...).

3- تقانات الإظهار وإنشاء البيئة: تمثيل المعلومات بطريقة مفهومة للمستخدم. تتضمن تقانات الحقيقة الافتراضية والواجهات البيانية والتحليل المتعدد السياقات والعرض.

4- التحقق من الصحة والقياسات: الأدوات التي تدعم عمليات التحقق والقياس (مقاييس، وأدوات اتخاذ القرار وغيرها).

5- الأمثَلة المتعددة الاختصاصات: ليست المحاكاة والتصنيع الافتراضي علوماً مستقلة قائمة بذاتها، وإنما تُستخدَم غالباً مع أبحاث التصنيع «التقليدية».

يبيّن الجدول (1) أدوات المحاكاة وما يقابلها من مستويات التصنيع وأهداف المحاكاة ومستوى التفاصيل.

الجدول (1)

مستوى التصنيع نوع المحاكاة أهداف المحاكاة مستوى التفاصيل المصنع / الدكان محاكاة التدفق. محاكاة إجرائيات العمل. تخطيط وتنفيذ (لوجستية) وخزن. مبادئ الإنتاج. تخطيط الإنتاج والتحكم. منخفض نظم التصنيع/ خطوط التصنيع محاكاة التدفق. توضع النظام. تدفق المواد. استراتيجيات التحكم. تخطيط الموارد البشرية. سعة النظام. متوسط خلية تصنيع/ روبوت/ أداة الآلة محاكاة التدفق. محاكاة حركية باستخدام بيانات ثلاثية الأبعاد. توضع الخلايا. البرمجة. اختبارات التصادمات. عالٍ المكونات تحليل بعناصر منتهية. محاكاة متعددة الأجسام (نمذجة السلوك الحركي لأجسام مترابطة). محاكاة الكتل. البنية (الميكانيكية والحرارية). الدارات الإلكترونية. ديناميكية الحركات غير الخطية. معقد إجرائيات التصنيع تحليل بعناصر منتهية. إجرائيات القص: خواص السطوح، الآثار الحرارية/زمن الحياة-إنشاء دارات جديدة. إجرائيات تشكيل المعادن: تدفق المواد، الإجهاد، التشققات. معقد جداً

تسمح محاكاة التدفق ومحاكاة الأحداث المتقطعة الغرضية التوجّه بنَمذجة التوضع وتجريبه وتحليله إضافة إلى تدفق الإجرائيات؛ وهي أدوات تساعد على تحديد التوضّع الأمثل وأمثَلَة خطوط الإنتاج لاحتواء حجوم مختلفة للمنتَج. وفي المقابل تُستَخدم المحاكاة الحركية الثلاثية الأبعاد لتصميم خلايا العمل وتقييمها وبرمجتها، إضافة إلى محاكاة متحكمات حقيقية بروبوتات (إنسالات) robots كما تسمح بالتعامل مع بيئات مختلطة مكونة من آلات حقيقية وآلات افتراضيةV.Machines أما التحليل بعناصر منتهية فهو أداة تصميم هندسية واسعة الانتشار تمكّن الشركات من محاكاة كل أنواع التصنيع ومن اختبارها بطريقة حقيقية، ويمكن استخدامها مع أدوات الأمثلَة لأهداف اتخاذ القرار وهي بذلك تخفض التكلفة، وتزيد الجودة.

يحقق التصنيع الافتراضي بالنهاية عدة منافع، منها:

- جودة عالية للمنتج.

- دورة زمنية أقصر للوصول إلى السوق.

- إنتاجية عالية ومثلى؛ لأن المنتجات تلبي المتطلبات منذ البداية.

- مرونة في تغيير المواصفات بسرعة وإنتاج منتجات جديدة بمواصفات جديدة.

- علاقة جيدة مع المستهلك بالاستجابة لمتطلباته بسرعة وجودة.

أمثلة وتطبيقات

بدأت تطبيقات التصنيع الافتراضي في معالجة المواد وقصها قبل أن تنتقل إلى تطبيقات لمنتجات كاملة. ويُذكر هنا بعض التطبيقات في مجال صناعة السيارات والسفن الفضائية ثم في الآلات الزراعية والقوالب الحديثة.

1- صناعة السيارات: كان الهدف بداية تصميم المنتج وإجرائيات التصنيع رقمياً، مع إظهارٍ كاملٍ ومحاكاة للمنتَج والإجرائيات والموارد. وهذا يتضمن تصميم الأجزاء المختلفة من السيارة وتصميم الخطط التفصيلية لإجرائيات التصنيع ومن ثم محاكاة التدفق للمصانع والمخازن ومحاكاة حركية ثلاثية الأبعاد لنظم التصنيع والروبوتات ومحاكاة إجرائيات التجميع مع نماذج للمشغلين البشر ومع تحليل عناصر منتهية. يُضاف إلى ذلك توجهٌ إلى إظهار حجمي عبر برمجيات CAVE وPowerwall وإلى استخدام الروبوت للطلاء واستخدام الواقع المعزز Augmented reality (AR) حيث يُتحكم من بعد بالمنتَج عبر أدوات إظهار رأسية وكفوف خاصة.

2- السفن الفضائية: يُستخدم التصنيع الافتراضي في تحليل العناصر المنتهية لتصميم مختلف الأجزاء مثل إنقاص الوزن واستخدام البيئة الافتراضية لنشاطات التجميع والصيانة والتدريب والواقع المعزز لدعم التجميع المعقد ومهام أخرى.

3- آلات الحصاد الزراعية: جرت أمثلة السكين الدائرة وخفض القوة المطبقة؛ مما أدى إلى زيادة استقرار الآلة وزمن حياتها.

4- القوالب الحديثة: باستخدام التصميم والهندسة والتصنيع بمساعدة الحاسوب معاً Computer Aided Design/Engineering/Manufacturing (CAD/CAE/CAM) لتصميم القوالب وإنتاجها حيث يحتاج السوق إلى استجابة سريعة لقوالب متغيرة ومتكيفة مع نوعية عالية وكلفة منخفضة وانتقائية معيارية.

مع التطور الهائل للاتصالات في العالم صار ممكناً عقد اجتماعات افتراضية واتصالات على الخط on-line توفر الكثير من الوقت والمال والموارد. ويظهر تطور مماثل في تسهيلات التصنيع والإظهار الثلاثي الأبعاد للمصانع الافتراضية. وفي معرض هانوفر السنوي عام 2013 جرى عرض في ذلك التاريخ ما يسمى «مصنع المستقبل»، وهو مصنع افتراضي رائد لتجمع الابتكارات «حول تقانات السيارات الخضراء» الذي تدعمه وزارة التعليم والبحث الألمانية، والذي يهدف إلى توفير الطاقة والموارد على نحو ملحوظ، ويمكّن من الحصول على تغذية راجعة feedback مرئية على مظهار يظهر الإنشاء الثلاثي الأبعاد لمكونات السيارة - مثل ماصّ الصدمات - مستخدماً نظام تعرف الإيماءات من دون لمس. ويستطيع المتمرس في ضمان الجودة أن يفحص أي جزء من السيارة، ويوثق الجريانات ضمنه بمجرد الإشارة إليه؛ ممّا يسمح للفاحص أن يبقى في مكتبه ويتفاعل افتراضياً مع أي غرض يفحصه موفراً الوقت والجهد. في هذا المصنع الافتراضي حاسوب معياري ونظام Kinect يتضمنان مجموعة من أجهزة إدخال واستشعار الحركة أنتجتها شركة مايكروسوفت Microsoft وكاميرات وحساسات ثلاثية الأبعاد كما تحتوي أيضاً على مكروفونات يمكن استخدامها للتعرف على الكلام والتحكم في الصوت. وثمة شركات عديدة تعتمد حالياً هذه المصانع الافتراضية: إحداها شركة فورد التي تعتمدها لمراجعة خطوط الإنتاج للنماذج المستقبلية وأمثلتها من أي موقع من مواقعها عبر العالم.

مراجع للاستزادة: - I. Cronin, R. Scoble, S. Wozniak, The Infinite Retina: Spatial Computing, Augmented Reality, and how a collision of new technologies are bringing about the next tech revolution, Packt Publishing, 2020. - C. Domanski, Cost Engineering: A Practical Method for Sustainable Profit Generation in Manufacturing, CRC Pr I Llc 2021. - N. M. Settle-Murphy, ‎ Leading Effective Virtual Teams: Overcoming Time and Distance to Achieve Exceptional Results, Auerbach Publications, 2012.

---

- التصنيف : كهرباء وحاسوب - النوع : كهرباء وحاسوب - المجلد : المجلد الثامن مشاركة :