Manufaktur pada 2050: Bagaimana Otomatisasi dan Inovasi Manusia Akan Mengubah Masa Depan

Tren yang kuat akan mendorong manufaktur mendekati otomatisasi penuh pada 2050, sementara orang-orang yang masih bekerja di industri akan diberdayakan untuk berinovasi dengan cepat seperti tidak pernah sebelumnya.

Beberapa tahun yang lalu Warren Bennis memprediksi bahwa, "Pabrik masa depan akan hanya memiliki dua karyawan, seorang pria dan seekor anjing. Pria akan ada untuk memberi makan anjing. Anjing akan ada untuk mencegah pria menyentuh peralatan."

Kita belum sampai di sana. Namun sejumlah tren yang kuat dan saling terkait akan mendorong kita mendekati keadaan itu pada 2050, sementara orang-orang yang masih di manufaktur akan diberdayakan untuk berinovasi dan membangun seperti tidak pernah sebelumnya.

Multitasking dan Otomatisasi

Aman dipertaruhkan bahwa pada 2050 rata-rata alat mesin akan sepenuhnya otomatis dan lebih canggih. Multitasking akan umum, mungkin hampir universal. Tren sudah terjamin.

Seperti yang diamati oleh veteran industri Scott Walker, chairman, Mitsui Seiki USA(Franklin Lakes, NJ): "Pada awal 2000-an, pasar Amerika Utara untuk mesin lima-sumbu adalah 150. Sekarang itu 3.000. Mesin juga menggabungkan grinding dan milling, atau laser metal deposition dan milling, atau grinding dan work hardening." Dia menambahkan bahwa sementara manfaatnya adalah kemampuan untuk mencapai lebih banyak di dalam work envelope, "mimpi buruk" telah membuat semua fungsi ini beroperasi dengan benar dan konsisten. "Tetapi itu akan berubah seiring teknologi, pemantauan dan perangkat lunak semakin baik."

Elemen dalam ruang bagi banyak produsen adalah sejauh mana 3D printing akan mengubah campuran teknologi, dan di luar dari itu, implikasinya untuk desain produk dan sejumlah masalah lain. Sejauh ini, keterbatasan kecepatan dan biaya bahan mentah yang tinggi dari manufaktur aditif telah sangat membatasi kelayakannya di luar prototyping. Namun Terry Wohlers, konsultan utama dan presiden, Wohlers Associates (Fort Collins, CO), mengatakan kecepatan "tidak akan menjadi musuh" pada 2050.

Ambil sistem powder bed: Sebagian besar waktu produksi ada dalam melacak permukaan dengan laser untuk memfuze material. "Tetapi sistem sekarang tersedia dengan banyak laser yang bekerja secara bersamaan pada platform bangunan," kata Wohlers. "Energi dari sinar elektron dapat dibagi menjadi sebanyak 100 sinar untuk membantu mempercepat proses. Di sisi lain, pendekatan ini membutuhkan banyak energi, yang mahal. Wohlers berpikir kita akan mengatasi keterbatasan ini, mungkin dengan 'menyahkit energi matahari secara langsung untuk meleleh material, daripada menyetop kontak 440.'" Wohlers menambahkan bahwa directed energy deposition secara inheren lebih cepat dari metode powder bed untuk membangun komponen logam, tetapi "pengguna terbatas dalam objek yang dapat mereka ciptakan dan ada trade-off dalam resolusi, umumnya memerlukan pemesinan, dan kadang-kadang yang signifikan." Ini membawa kita kembali ke sistem hybrid yang menggabungkan aditif dengan CNC milling. Seperti Walker, Wohlers percaya bahwa masalah dalam membuat kedua pendekatan ini bekerja secara harmonis sebagian besar akan terpecahkan dalam 32 tahun ke depan. Faktor lain yang mendukung penggunaan yang lebih besar dari teknik aditif adalah penurunan biaya material yang diharapkan dan pilihan yang lebih luas. "Mesin hari ini bekerja dengan hanya beberapa puluh termoplastik, misalnya," kata Wohlers, "sedangkan ribuan tersedia untuk manufaktur konvensional." Mungkin lebih penting, polimer yang saat ini digunakan dalam 3D printing berbiaya hingga 50 kali lipat lebih mahal daripada polimer serupa untuk manufaktur konvensional. Itu menempatkan titik break-even dalam ratusan hingga ribuan unit tergantung pada ukuran bagian. Namun Wohlers mengatakan banyak paten pada mesin yang memproduksi bagian dengan polimer telah kedaluwarsa, yang mengarah pada mesin baru yang menggunakan material dengan biaya lebih rendah. "Titik break-even akan membaik secara dramatis sehingga aditif akan menantang injection molding untuk rentang produk yang lebih luas, termasuk aplikasi volume lebih tinggi." Ada kasus serupa yang dapat dibuat untuk logam, tetapi Walker, untuk satu, skeptis bahwa aditif akan mencapai profil biaya dalam logam yang memvalidasi penggantian metode tradisional. "Sangat lebih mudah memanaskan 60 ton dan menggulung lembaran baja daripada membangun sesuatu dengan bubuk logam atau cladding," kata Walker. "Saya melihat aditif sebagai fungsi yang dapat Anda masukkan ke dalam envelop mesin untuk menambahkan nilai pada proses. Namun saya tidak melihat aditif sebagai proses pengganti untuk membuat baja, kecuali teknologi berubah dan kita mencapai titik manipulasi molekular menggunakan jenis sumber energi yang berbeda." Manufaktur aditif masih memiliki satu trok yang tersisa, setidaknya untuk beberapa pemain: Kemampuan untuk menciptakan bentuk yang jika tidak akan mustahil. Ini tidak hanya membuka potensi untuk produk dan fitur baru, itu juga membantu mengatasi masalah kecepatan 3D printing. Itu karena struktur jaring terbuka yang dimungkinkan oleh 3D printing dapat mencapai kekuatan dan kekakuan yang diperlukan untuk banyak aplikasi dengan jauh lebih sedikit material daripada struktur padat. Dan kecepatan produksi 3D printing sebanding dengan volume kubik material. Struktur baru yang aneh tumpang tindih dengan topik selanjutnya.

Desain Kreatif Otomatis

Dalam pandangan Walker, manufaktur siap untuk mencapai peningkatan produktivitas terbesarnya di dua area, salah satunya adalah dalam mendigitalisasi semua pekerjaan yang diperlukan untuk menyiapkan proses manufaktur. "Hari ini seorang desainer memulai dengan model digital, dan kemudian menghasilkan tool path ... kemudian seseorang mendesain fixture ... kemudian Anda mendapatkan forging ... kemudian engineer aplikasi menyiram program ke mesin dan pergi alat demi alat dan memantau bagaimana suara pemotongan dan bagaimana tampilannya ... dan pada akhirnya dia membuat mesin membuat bagian ... dan kemudian dia menyempurnakan semua gerakan sehingga dapat mengurangi waktu siklus." Ini sebenarnya lebih buruk karena mendapatkan desain awal juga membingungkan. Untungnya, banyak pikiran cerdas yang bekerja keras untuk memudahkan dan mempercepat setiap bagian dari proses ini.

Di ujung depan, teknologi desain generatif membantu kelompok kreator yang semakin luas untuk dengan cepat mengeksplorasi kemungkinan geometri baru. Dalam kasus Fashion 360 dari Autodesk (San Rafael, CA), perangkat lunak berjalan di cloud dan menggunakan machine learning dan kecerdasan buatan (AI) untuk secara otomatis menghasilkan ratusan desain yang masing-masing memenuhi kriteria desainer untuk kekuatan, biaya, metode manufaktur, material dan seterusnya. Yang lebih penting, menjelaskan Bob Yancey, direktur strategi manufaktur dan produksi Autodesk, desain adalah "bukan sekadar geometri idealis yang mustahil digunakan, mereka adalah model CAD nyata yang dapat diproses lebih lanjut dalam perangkat lunak CAD." Mereka juga adalah apa yang disebut Yancey sebagai "manufacturing aware," yang berarti mereka memulai dengan metode manufaktur yang diinginkan dibangun sebagai keterbatasan sejak awal. "Jadi jika Anda menentukan bahwa bagian harus dapat dipesan pada CNC lima-sumbu, semua opsi desain Anda akan sesuai dengan keterbatasan itu," katanya. Ini tidak menghilangkan kebutuhan akan desainer manusia. Seperti yang diungkapkan Yancey, "Mendeskripsikan tantangan desain dengan presisi dan keahlian adalah keterampilan teknik yang tidak akan pergi. Apa yang dilakukan perangkat lunak desain generatif adalah memberikan lebih banyak opsi desain daripada yang dapat dirancang oleh manusia sendiri, sehingga Anda memiliki keyakinan yang lebih besar bahwa Anda mempertimbangkan jauh lebih banyak opsi dan mendapatkan hasil yang lebih baik. Kami melihat ini sebagai masa depan co-creation antara engineer dan komputer, atau kecerdasan manusia dan kecerdasan buatan." Mungkin lebih dalam, desain seringkali mengejutkan dan unggul dari apa yang akan dirancang oleh manusia. Seperti yang diungkapkan oleh Diego Tamburini, principal industry lead—Manufacturing Industry Communities / Cloud + AI Division for Microsoft (Redmond, WA), "Jika saya duduk di depan alat CAD saya untuk merancang sebuah bagian, saya sudah memiliki 1.000 preconsepsi tentang bagaimana seharusnya tampilannya berdasarkan ratusan tahun desain sebelumnya. AI tidak memiliki konsep semacam itu. Dan sementara saya setuju bahwa mengotomatisasi desain adalah masalah yang sulit dan sulit dibayangkan komputer merancang item kompleks, kita harus mengakui bahwa sebaliknya ada banyak kasus di mana kita hidup dengan desain manusia yang tidak optimal." Beberapa preconsepsi kami berasal dari pengalaman kami dengan bahan baku yang terbatas pada blok, batang dan lembaran. Namun 3D printing tidak terbatas pada bahan baku itu. Dan tidak terbatas pada bentuk yang dapat dibuat. Jika Anda menghapus keterbatasan itu dan membiarkan AI bekerja, desain generatif sering menciptakan bentuk yang "sangat berbeda dari apa yang kami kenal. Lebih organik, seperti tulang hewan," kata Tamburini. Wohlers mengakui ini dan mengatakan bahwa alam menawarkan contoh yang luar biasa dari struktur dengan rasio kekuatan-kebahan yang luar biasa. Hingga beberapa waktu yang lalu, printer 3D menghasilkan struktur jaring, mesh atau selular yang didefinisikan oleh program terpadu dengan pemahaman yang sedikit tentang properti kekuatannya. "Alat optimasi topologi terbaru dapat menghasilkan struktur jaring dan mesh yang dirancang dengan kepastian kekuatan," kata Wohlers. "Di masa depan, kita mungkin melihat struktur super ringan dalam legasi logam yang lebih ringan daripada komposit serat karbon, yang memakan waktu untuk diproduksi dan mahal." Tamburini mengatakan ia telah melihat kasus di mana komputer menghasilkan bentuk jaring yang tidak memberikan keyakinan pada manusia (terlalu ringan dan rapuh), jadi desainer menutupinya dengan sesuatu sehingga terlihat lebih kokoh. Orang tetap manusia, bagaimanapun.

Mempercepat Proses

Krisztina "Z" Holly, pendiri dan chief instigator dari Make It In LA (Los Angeles) menekankan manfaat menggabungkan perangkat lunak yang semakin cerdas dengan 3D printing dan teknologi baru lainnya (seperti virtual reality) untuk mempercepat sangat siklus pengembangan produk yang iteratif. Selain kemampuan untuk mendapatkan lebih banyak umpan balik dari konsumen lebih awal dalam proses, yang dapat menghasilkan produk yang jauh lebih baik, dia menujukkan bahwa alat-alat baru memokratisasi proses desain dan pembuatan. "Apa artinya itu dalam hal bagaimana kita berinovasi dan siapa yang berinovasi? Saya pikir dunia akan berbeda jika kita mengizinkan non-engineer untuk merancang jenis produk yang mereka inginkan," katanya. "Dan akan lebih mudah bagi wirausaha untuk memulai bisnis manufaktur. Jenis produk apa yang akan tersedia jika orang dapat memulai bisnis produk fisik secepat mereka dapat memulai bisnis produk digital?" Salah satu hasil yang diantisipasinya: "Dua set keterampilan menjadi sangat berharga. Satu adalah keterampilan teknologi yang dalam untuk mengkode sistem ini dan memahami detail apa yang bekerja dan apa yang tidak." Yang lainnya adalah pemahaman empatik tentang kebutuhan pelanggan dan peluang pasar. Keterampilan apa yang menjadi kurang kritis? Sebenarnya menjalankan mesin. Proses dari desain ke CAM akan lebih atau kurang diotomatisasi. Seperti yang dijelaskan Walker, jika model desain menyertakan informasi tentang material (seperti yang menjadi standar), mesin harus "memiliki kecerdasan untuk melakukan sisanya. Ambil alat yang tepat dari rak 8.000 alat dan ikuti jalur alat yang benar pada kecepatan yang sesuai. Mesin harus memiliki kemampuan penglihatan dan pemantauan suara untuk menghindari tabrakan dan juga mengukur kondisi pemotongan dan menyesuaikan kecepatan dan makan sesuai. Itulah yang dilakukan oleh aplikasi engineer saat ini. Berapa banyak yang akan kita butuhkan dalam 30 tahun? Semoga nol." Namun demikian, Holly memperingatkan untuk tidak fokus hanya pada pekerjaan. Pertama, akan ada pekerjaan—hanya pekerjaan yang berbeda, lebih kreatif. Dan kedua, "Yang penting adalah menjaga inovasi tetap lokal," katanya. "Ada banyak negatif dalam mengirim desain dan manufaktur ke luar negeri. Anda kehilangan kontrol atas kekayaan intelektual. Itu tidak baik untuk lingkungan. Dan Anda kehilangan pandangan tentang apa yang mungkin kecuali Anda tangan Anda dalam manufaktur itu sendiri."

Built to Order…Lokal

Semua orang sependapat bahwa manufaktur akan menjadi lebih terpencil secara geografis, proses yang sangat dibantu oleh kemampuan perkalian dari alat mesin individu. Yancey mengatakan banyak produsen ingin baik mengurangi risiko dan membuat produk lebih dekat dengan pelanggan untuk lebih baik menyesuaikannya dengan pasar. Walker setuju dan juga memprediksi bahwa biaya transportasi dan dampak lingkungan akan mendorong perusahaan untuk memproduksi secara lokal. Dia menambahkan bahwa ada juga offsets yang diwajibkan pemerintah, di mana produsen harus memproduksi sejumlah bagian di sebuah negara untuk menjual produk di negara itu. Motivator lain adalah mempertahankan profitabilitas meskipun fluktuasi mata uang, masalah yang diperburuk oleh margin yang semakin sempit. Pada saat yang sama, akan ada tingkat kustomisasi yang jauh lebih besar dan rantai pasokan yang jauh lebih ketat. Seperti yang diringkas Tamburini: "Praktik meramalkan permintaan dan memproduksi massal bagian untuk memenuhi permintaan yang diharapkan akan dibalikkan. Ini akan lebih dekat pada pelanggan yang memberitahu produsen tepat apa yang mereka inginkan dan produsen membuatnya kemudian dan hanya kemudian. Digitalisasi dan otomatisasi membuat mimpi ini lebih teknis, dan bahkan ekonomis, dapat diwujudkan." Ini tidak akan berlaku untuk setiap produk, dan garis antara standarisasi, kustomisasi dan personalisasi kabur. Namun Tamburini yakin bahwa praktik kustomisasi produk melalui daftar opsi yang telah ditentukan akan tumbuh secara eksponensial. Beberapa produk, seperti prostetik dan pakaian, dapat sepenuhnya dipersonalisasi. Sama seperti itu, sebagian besar produsen akan menjadi biro layanan umum dan bukan spesialis. Mesin akan membangun apa saja yang datang melalui cloud, on demand. Seperti yang diungkapkan Walker, "Hari ini sebuah perusahaan memerlukan kontrak tiga- hingga lima-tahun untuk membuat komponen karena biaya untuk membeli, memprogram dan memasang alat pada mesin untuk membuat bagian secara konsisten dan akurat sangat besar. Buat mesin otomatis dan multifungsi dan hilangkan sebagian besar upaya setup dan manufaktur menjadi bisnis yang lebih cermat, dan mungkin margin yang lebih rendah. Seperti yang akan terjadi oleh Holly dari Make It in LA, proses desain dan alat serta antarmuka desain menjadi semakin penting."

Menjaga Semuanya Tetap Berjalan

Peningkatan digitalisasi, "hyper-connectivity," dan AI harus sangat meningkatkan kemampuan kita untuk menjaga produksi berjalan dengan tenaga kerja minimum dan waktu henti. Tamburini mengatakan sebagian besar data yang sekarang dikumpulkan digunakan untuk memantau apa yang terjadi di pabrik dan di seluruh rantai pasokan. "Tetapi kita mulai bertanya 'mengapa' hal-hal tertentu terjadi dan menggunakan AI untuk memprediksi apa yang akan terjadi. Fase berikut dalam proses ini adalah menggunakan AI dan machine learning untuk mengaktifkan respons otonom." Dengan kata lain, dengan cukup data untuk dianalisis, machine learning dapat secara akurat memprediksi kegagalan bagian tertentu. Dengan algoritma pengambilan keputusan yang baik dan pengetahuan tentang semua tuntutan produksi di lantai bengkel, sistem juga dapat memutuskan sendiri apa yang harus dilakukan terhadap kegagalan yang akan datang: pesan bagian, jadwalkan waktu henti, pindahkan pekerjaan tertentu ke mesin alternatif, dan sebagainya. Anda bahkan dapat membayangkan mesin memperbaiki dirinya sendiri atau memesan robot yang dapat, meskipun Walker mengatakan dia tidak pikir kita akan pernah melepaskan kebutuhan akan teknisi pemeliharaan manusia. Namun, dia pikir mesin akan berkomunikasi secara berdering tentang apa yang perlu dilakukan—tidak perlu perangkat genggam atau layar dan kontrol. Tamburini mengatakan Microsoft memiliki produk head-mounted (HoloLens) yang memungkinkan Anda berinteraksi dengan hologram di sekitar Anda. "Itu melapisi info digital di atas kenyataan, memberi Anda kekuatan super, dalam arti kata. Orang-orang menemukan bahwa augmented reality dapat digunakan untuk melakukan hal-hal seperti memberikan instruksi assembly, atau instruksi QC, atau instruksi pemeliharaan, sehingga mengurangi kebutuhan akan pelatihan." Misalnya, seorang ahli pemeliharaan jarak jauh dapat membantu teknisi lokal dengan menunjuk ke bagian atau menunjukkan cara memindahkan bagian, seolah mereka berdua melihat hal yang sama di toko yang sama bersama-sama. Akhirnya, Tamburini menunjuk bahwa salah satu keindahan machine learning adalah "saat mereka menjadi lebih baik, kemampuan atau pengetahuan itu dapat segera disiarkan ke seluruh dunia, karena itu hanya perangkat lunak. Jadi semua orang menjadi lebih cerdas dan lebih baik, asalkan kita dapat berbagi data." Dia membandingkan ini dengan bergantung pada ahli di pabrik yang menggunakan pengalaman tahunannya untuk menafsirkan suara mesin dan sejenisnya. "Sangat sulit untuk mendistribusikan jenis pengetahuan itu."

Apa yang Tidak Akan Berubah

Sejauh itu muncul sama sekali, para ahli tidak sepertinya berpikir bahwa presisi manufaktur akan berkembang banyak dalam 30 tahun ke depan. "Kami bekerja pada toleransi saat ini di mana metrologi untuk menentukan akurasi adalah masalah yang lebih besar," seperti yang diungkapkan Walker. "Langkah berikutnya untuk mendapatkan toleransi yang lebih baik adalah manipulasi molekular," (yang tidak ada yang membayangkan). Tidak ada yang berpikir bahwa kecepatan pemesinan akan jauh lebih cepat pula. Bahkan peningkatan kecepatan 3D printing yang dibahas sebelumnya akan lebih evolutif daripada revolusioner—tidak seberat peningkatan produktivitas karena perbaikan perangkat lunak. Sama seperti itu, kemampuan saat ini untuk memproduksi komponen kecil sudah luar biasa. Wohlers menyebut miniaturisasi sebagai "sebagian merupakan solusi yang mencari masalah. Salah satu aplikasi yang sedikit adalah sensor kecil yang tertanam dalam bagian 3D printing." Jika Anda khawatir tentang perubahan, Walker mungkin menghibur Anda dengan pemikiran ini: "Kami telah menyesuaikan manufaktur sejak 1780-an. 30 tahun ke depan akan lebih banyak penyesuaian, kecuali kita menemukan sesuatu yang benar-benar revolusioner." Dia bertanya padaku apakah ada yang bilang mereka telah mengetahui cara memanipulasi gravitasi sehingga kita bisa terbang ke bulan tanpa membakar bahan bakar fosil, mengetahui jawabannya. Katakanlah, tidak ada yang menyebut anjing yang mencegah pria melakukan perubahan pada mesin, juga.