Применение технологий индустрии 4.0 в медицинской промышленности

Понятие Индустрия 4.0 не является чем-то новым для инженеров-технологов американской компании Glidewell, производителя коронок, мостов и других стоматологических изделий. Здесь применяли эту концепцию еще до того, как у нее появилось такое название.

«Мы являемся производителем крупных объемов продукции, но все, что мы делаем, является индивидуальным продуктом для конкретного человека», — говорит Дэйв Лисон, вице-президент по инжинирингу в Glidewell. «Мы способны проиводить 100 000 уникальных продуктов каждую неделю.

«Единственный возможный способ сделать это — иметь глубоко связанную производственную систему. Все зубные протезы, которые мы делаем, внешне выглядят похожими, но на самом деле они разные, поэтому просто убедиться, что правильный зуб попадает к нужному человеку в разумные сроки, - это огромная работа. Прослеживаемость имеет жизненно важное значение».

Все оборудование Glidewell взаимосвязано. Каждый продукт имеет уникальный идентификационный код, который сканируется на каждом этапе производственного процесса. В любой момент времени производственный персонал точно знает, где находится каждый продукт в системе и насколько хорошо работает каждая производственная линия.

Индустрия 4.0 в Glidewell включает в себя гораздо больше, чем просто контроль за процессом производства. Сегодня компания применяет различные передовые технологии для улучшения своих продуктов и процессов. Например, компания использует искусственный интеллект для создания коронок и мостов, которые идеально подходят для каждого пациента.

Процесс Glidewell по изготовлению зубного протеза начинается с 3D-сканирования зубов пациента или слепка зубов. Компания использует технику искусственного интеллекта, известную как генеративные состязательные сети (ГАН), для создания идеальной 3D-модели зуба, который будет создан. Разработанный Яном Гудфеллоу, научным сотрудником Google Brain, ГАН представляет собой метод машинного обучения, в котором две нейронные сети соревнуются друг с другом в игре с нулевой суммой, где выигрыш одного агента является потерей другого агента.

Эта техника получила известность как инструмент для создания «дипфейковых» видео в Интернете, но она также может быть адаптирована для работы с 3D-данными для настройки производства физических продуктов, концепция, которую Гудфеллоу назвал «GANufacturing». Glidewell является первой компанией, которая использует технологию в медицинском производстве. Стоматологи часто тратят значительное время и усилия на создание стоматологических протезов на заказ. Мало того, что новый протез должен соответствовать 3D-форме, которая работает с другими зубами пациента, но он также должен хорошо работать с общей картиной укуса человека. В результате протез обычно должен быть протестирован на стоматологической модели для подгонки. Благодаря технологии GANufacturing Glidewell может создать почти идеальный, реалистичный и функциональный зубной протез, который практически не нуждается в постобработке.

И, поскольку компания сделала миллионы протезов за эти годы, у нее есть множество данных для компьютеров. «Это один из самых передовых способов генерации 3D-данных для производства», — говорит Лисон.

Glidewell даже использует ИИ и машинное зрение для уменьшения ошибок ручной работы. «Иногда нам нужно, чтобы люди переносили детали из одного процесса в другой, потому что они слишком сложны для робота», — говорит Лисон. «В этих случаях мы используем системы машинного зрения, управляемые ИИ, для отслеживания движения этих частей, чтобы гарантировать, что они не будут неуместны».

Glidewell также использует данные контроля качества для обеспечения прямой обратной связи в своих производственных процессах. Компания проверяет 100 процентов продуктов, которые она производит с помощью 3D-геометрического сканирования. «Мы сравниваем эти данные с проектными данными, чтобы принять решение о прохождении», — объясняет Лисон. «Если продукт не проходит проверку, он автоматически возвращается для дополнительной обработки без необходимости вмешательства человека».

Все производственные данные для каждого продукта, производимого Glidewell, хранятся в базе данных, к которым можно получить доступ из любого места — на веб-панелях мониторинга в цеху или на мобильном телефоне инженера. Более того, инженеры могут анализировать данные о тенденциях, чтобы при необходимости вносить коррективы в производственные процессы. Компания может отслеживать проблемы до конкретных операторов или конкретных машин или инструментов.

«Мы достаточно уверены в наших данных, что, если система обнаружит шаблон отказов, она автоматически выключит эту машину из строя и сгенерирует заказ для технического специалиста, чтобы увидеть, что не так», — говорит Лисон. «Мы активно предотвращаем брак».

Компания имеет так много данных о своих производственных процессах, что она точно знает, сколько времени должен занять каждый процесс и когда деталь следует ожидать на конкретной станции. Если деталь не отображается в течение ожидаемого срока, она автоматически утилизируется, а замена ставится в очередь в начале линии.

«На автоматизированной линии могут происходить вещи, которые вы не можете предсказать — возможно, робот сбросил часть», — говорит Лисон. «Мы не хотим ситуации, когда человек должен выяснять, что пошло не так. Мы очень обеспокоены своевременной доставкой, поэтому иногда лучше просто сделать еще одну. Может быть, это не самая эффективная вещь, но в нашем бизнесе это необходимо. В отличие от других производителей, мы не можем останавливать нашу линию».

Производство медицинских изделий 4.0

Glidewell не одинока в применении передовых цифровых технологий на своих сборочных линиях. Многие производители медицинских услуг используют цифровые технологии, чтобы повысить эффективность, сократить время выполнения, стать более гибкими и соответствовать нормативным требованиям.

Одной из таких компаний является компания Zimmer Biomet из Польши, производитель искусственных тазобедренных, коленных суставов и других ортопедических имплантатов. Как и Glidewell, эта компания производит большой объем продукции высоким уровнем кастомизации. И, как и в Glidewell, сроки производства и своевременная доставка для клиента имеет решающее значение.

«Мы используем технологию Индустрии 4.0, чтобы гарантировать, что нужные детали попадут в нужное место в нужное время», - говорит Абхиджит Балан Мепадан, руководитель проекта Zimmer Biomet. «Мы используем данные для анализа нашей работы. Когда клиент размещает заказ, мы можем предсказать, сколько времени потребуется для изготовления этой детали. Оттуда мы можем вернуться назад, чтобы заказать детали и сырье, чтобы убедиться, что мы укладываемся в ожидаемую дату поставки».

Эта возможность была невозможна, когда заказы управлялись на бумаге, добавляет он.

Цифровизация также позволяет компании улучшить прослеживаемость. «Если когда-либо возникает проблема с одним из наших продуктов, мы знаем, где он был сделан, когда он был сделан, кто его сделал, какое оборудование использовалось и какие проверки были проведены», — говорит Мепадан.

Это немало для компании с производственными операциями в более чем 40 странах мира.

Теперь компания стремится сделать свои производственные операции более активными, а не реактивными. «Мы хотим создать более прогностическую среду, в которой наши системы общаются с нами автоматически. Какие вопросы мы можем предвидеть, скажем, в ближайшие три дня? Какие данные могут помочь нашим менеджерам принимать лучшие решения?» — говорит он.

Для одного производителя систем непрерывного мониторинга глюкозы Индустрия 4.0 сыграла ключевую роль, помогая справиться с массовым увеличением объема производства. «Мы начали с производства 40 миллионов единиц в год», - говорит Рам Булусу, старший директор по глобальным информационным технологиям и операционным технологиям компании. «Сегодня это почти на 200 миллионов. Большинство систем, которые у нас были, на самом деле не были предназначены для обработки такого объема».

Индустрия 4.0 обеспечила множество преимуществ для компании, таких как оптимизация затрат на продукцию, снижение затрат на рабочую силу, повышение общей эффективности оборудования, улучшение качества и более быстрые выпуск новых моделей. «Это сделало нашу работу более предсказуемой, повторяемой, масштабируемой и гибкой», — говорит он.

В компании Dentsply Sirona, производителе стоматологической продукции из США, применение технологии Индустрии 4.0 заключается в подключении оборудования и сборе данных, чтобы получить представление о производственном процессе и опередить проблемы до их возникновения. Dentsply уже давно собирает данные со сложного оборудования, такого как пятиосевые фрезерные станки, но теперь компания распространяет эту концепцию на более простые станки, такие как оборудование для очистки деталей.

«Мы определили, что температура воды имеет решающее значение для очистки наших деталей, поэтому мы используем цифровой термометр для мониторинга температуры воды с течением времени», — объясняет Дэн Рон, старший инженер-технолог dentsply. «Если мы увидим, что температура снижается, это может быть признаком того, что пришло время заменить обогреватель».

Dentsply также собирает данные о ручных процессах. «Самой большой ценностью Индустрии 4.0 будет возможность собирать данные из ручных операций», — говорит Рон. «Легко собирать данные с машин».

Компания начала внедрять цифровые рабочие инструкции несколько лет назад. Теперь каждая рабочая станция оснащена компьютером, подключенным к ERP-системе компании. Когда проект поступает на рабочую станцию, работники сканируют штрих-код, чтобы получить пошаговые инструкции о том, как выполнить поставленную задачу. Это устранило ошибки и увеличило скорость производства, поскольку рабочие не тратили время на перелистывание переплетов наборов инструкций.

Дополнительным преимуществом является то, что менеджеры теперь могут собирать данные о ручных процессах без необходимости посещать линию с секундомером. «Исходя из опыта бережливого производства и шести сигм, время цикла — это большое дело», — говорит Рон. «Нам нужно знать, сколько времени потребуется оператору для выполнения задачи, чтобы мы могли лучше управлять рабочей нагрузкой всего объекта. Мы можем посмотреть на четырех операторов, выполняющих одну и ту же задачу, и, возможно, один человек работает быстрее, чем все остальные. Почему так? Может быть, он придумал способ лучше выполнить задачу, которой все остальные могут учиться».

Это также помогает компании соблюдать правила. «В производстве медицинского оборудования важно говорить, что вы делаете, и делать то, что вы говорите», — говорит Рон. «Цифровые рабочие инструкции позволяют нам контролировать нашу документацию».

Начало работы

Добраться до точки, где производственные линии работают сами по себе, а искусственный интеллект помогает проектировать детали, невозможно в одночасье. Это требует значительного планирования и инвестиций в людей и технологии. Это также требует некоторого стимула. Индустрия 4.0 не для всех.

«Мы более продвинуты, чем многие компании, потому что характер нашего продукта заставил нас сделать эти инвестиции», — говорит Лисон. «Любая компания, которая отправится в это путешествие, также будет нуждаться в том же драйве, потому что это нелегкий путь, и он требует очень много инвестиций».

Булусу соглашается. «Индустрия медицинского оборудования может медленно меняться», — отмечает он. «Часто требуется кризис, чтобы новые идеи были приняты. Если все пойдет хорошо, руководство не захочет тратить деньги».

«Чтобы достичь чего-то подобного, требуется огромный спектр навыков», — продолжает он. «Наши специалисты по управлению и электротехнике должны были узнать гораздо больше о современных протоколах связи, чтобы они могли лучше понять мир наших ИТ-специалистов. И, конечно, взаимность тоже была правдой. Нашим ИТ-специалистам нужно было лучше понимать мир машиностроения».

Работая вместе, команда Glidewell определила такие вещи, как то, какие ПЛК лучше всего подождут подключения и какое аппаратное и программное обеспечение обеспечивает лучшую безопасность.

Такая же ситуация сложилась и в компании Булусу. «Сначала команда автоматизации занималась всем производством; ИТ-команда обработал все данные; группа по вопросам качества проводит свой собственный анализ; и наши поставщики делали свое дело. Это действительно не было хорошо», — вспоминает он.

Чтобы создать настоящую интеллектуальную производственную операцию, Булусу объединил эти группы в рамках единой модели, которую он назвал технологией производства и качества цепочки поставок (MASCQOT). Концепция Bulusu расширяет стандарт ISA-95 для разработки автоматизированного интерфейса между предприятием и системами управления. Но, в то время как ISA-95 является вертикальной моделью, MASCQOT более горизонтальна. Это позволило его компании более эффективно взаимодействовать с производственными системами своих поставщиков.

Основным преимуществом MASCQOT является то, что он позволил компании интегрировать управление качеством в систему. Во многих компаниях по производству медицинского оборудования производство и качество являются различными функциями, объясняет Булусу. Оба департамента могут обмениваться информацией, но она может быть недостаточно своевременной или недостаточной для удовлетворения требований FDA к отчетности или для улучшения производства. Благодаря качеству и производственной части одной системы, компания Bulusu имеет возможность отслеживать неблагоприятные события до потенциальных производственных проблем на определенной линии. Например, если несколько человек в определенном регионе жалуются на развитие сыпи от ношения монитора, инженеры могут проследить проблему, скажем, до неработающей партии чувствительного к давлению клея на одном заводе.

Общение и командная работа важны, соглашается Рон. «Прежде чем внедрять технологию Industry 4.0, сначала поработайте со своим ИТ-отделом», — советует он. «Последнее, что вы хотите, это установить что-то только для того, чтобы ИТ-отдел сказал вам, что это запрещено в сети».

Кадры также могут быть проблемой. «Самой большой проблемой при внедрении Индустрии 4.0 является нехватка навыков», - говорит Булусу. «Чтобы быть успешными, нам нужны люди с производственным опытом, опытом работы в ИТ и операционными технологиями.

«В большинстве компаний это разные люди и разные организации, и у них нет передаваемых навыков. В своей компании я объединил ИТ- и ОТ-функции под общим зонтиком. Теперь люди, которые программируют PLC и SCADA, работают вместе с людьми, которые управляют системами ERP и MES. Нет пробелов в знаниях или связях».

Решение о том, сколько данных собирать, является еще одной проблемой, которую необходимо решить. «Вначале мы старались быть очень экономными с данными, которые мы собирали», — вспоминает Лисон. «Изначально мы собирали только то, что, по их мнению, было бы немедленно полезно.

«Однако произойдет то, что у кого-то возникнет идея или возникнет проблема, и у нас не будет данных, подтверждающих это. Теперь наша философия заключается в том, что давайте собирать и хранить все данные, которые мы можем из процесса. Возможно, мы не нуждаемся в нем сейчас, но мы можем захотеть этого в будущем. Чтобы выполнять значимую работу с ИИ, вам нужны сотни тысяч различных данных».

Для Булусу удивительный камень преткновения связан с бухгалтерским учетом. «Финансовые модели, которые мы исторически использовали для развертывания значительных производственных технологий, основаны на капиталовложениях», - говорит он. «Вы покупаете так много серверов, так много датчиков и тому подобное. Вы инвестируете в капитал, вы рассчитываете амортизацию, и именно так определяется ваша рентабельность инвестиций.

«Однако в облачной экосистеме он основан на ежемесячной абонентской плате. Вы платите так много Amazon или Google за запуск вещей в их облаке. Проблема в том, что это рассматривается как операционные расходы, а не капитальные инвестиции, поэтому это влияет на ваш отчет о прибылях и убытках. Наши финансовые модели должны быть обновлены, чтобы включить это».

Кибербезопасность также должна быть рассмотрена на раннем этапе.

Что дальше?

Для Glidewell следующим шагом в индустрии 4.0 является поиск способа интеграции отзывов клиентов в поток данных. «У нас есть все эти данные обратной связи с клиентами, и мы пытаемся сопоставить их с нашими данными производственного процесса, чтобы улучшить наши линии», - говорит Лисон.

Первоначальная работа компании в этой области уже принесла дивиденды. Glidewell выполняет полные проверки 100 процентов продукта. Но так было не всегда. «Изначально мы сканировали одну из трех коронок. Это не дешевый процесс, и даже каждый третий — довольно значительный процент выборки», — говорит Лисон. «Но когда мы сравнили данные отзывов клиентов с нашими данными инспекции, мы обнаружили, что уровень возвратов клиентов или жалоб был немного выше на деталях, которые мы не сканировали.

«Объединив два потока данных, мы смогли оправдать инвестиции в большее количество сканеров для 100-процентной проверки. Для нас даже увеличение удовлетворенности клиентов на четверть процентного пункта является огромным».

В компании Bulusu цель состоит в том, чтобы использовать аналитику в режиме реального времени, чтобы предупредить менеджеров по производству о потенциальных проблемах, прежде чем они станут реальными проблемами.

«Мы работаем над способами использования аналитики в режиме реального времени для установления сигналов тревоги», — объясняет Булусу. «Например, мы измеряем толщину фермента на нашем датчике глюкозы. Предположим, наши измерения говорят нам, что толщина отключается на 0,1 микрона, но это все еще в пределах нашей спецификации. Затем наши измерения показывают, что следующая партия, идущая вниз по линии, отключается на 0,2 микрона, но опять же, это все еще в пределах нашей спецификации. Мы хотели бы использовать аналитику в режиме реального времени, чтобы сказать нам, что если эта тенденция сохранится, мы будем делать неспециаппакующий продукт в течение еще шести запусков; нам нужно внести коррективы.

«В полностью зрелой модели Индустрии 4.0 мы хотели бы иметь самоосознавательную производственную систему, которая диагностирует и решает подобные проблемы с небольшим вмешательством человека или без него. Мы хотели бы иметь систему, которая говорит: «Эта часть должна быть заменена в ближайшее время, планируйте некоторое время простоя в следующий вторник». Мы еще не там, но именно туда индустрия 4.0 может привести вас».