Výuka ICT ve strojírenství a týmové projekty

Přiblížení výuky reálné praxi je podstatnou složkou moderní metodiky a postupů výuky odborných předmětů. Jedná se mnohdy o velmi strastiplnou cestu, která je navíc zcela rozdílná díky nasazení aplikovaných informačních technologií v posledních přibližně patnácti letech. Zásadním rozdílem proti klasickým postupům je především zásadní změna postupů a vyjadřovacích prostředků, která s nástupem 3D technologií s výraznou integrací podpory technických výpočtů a simulací má dopad až na úroveň teoretických znalostí fyziky a mechaniky. Nasazení PLM řešení má ve výuce, vzhledem k situaci v reálné praxi, zcela zásadní význam, který lze popsat jako bezpodmínečně nutnou kapitolu rozvoje odborně orientovaného školství.

Rozvoj výuky ICT ve strojírenství v posledních letech

Podle teoretických zákonů, kdy potřebuje obecně společnost pro masové nasazení nové technologie přibližně třicet let, je i výpočetní technika za hranicí, kdy by měla být brána jako neoddělitelná součást našeho života. Stejnou dobu potřebovala televize, telefon a celá řada jiných technologií. Historicky lze spatřovat s nástupem výpočetní techniky ve strojírenství a její výukou ve školství obecně tři období. Tato období lze zasadit přibližně do časového rozsahu dvaceti let.

• výuka s využitím 2D technologií - prakticky začátek aplikovaného nasazení ICT ve školství. Obecně se jedná o období od druhé poloviny devadesátých let do současnosti. Principiálně se jedná a náhradu klasického „prknování“ za nový vyjadřovací prostředek, například všem známý AutoCAD. Tyto aplikace mají neustále svůj význam, ale přestávají být ve strojírenském navrhování cílovým řešením. Z pohledu metodiky výuky znamená tato oblast ve své podstatě rozšíření klasického technického kreslení o pokrokové prostředky 2D konstrukce s dopadem na zefektivnění postupů a výměny dokumentace ve výuce a praxi. Metodiku výuky lze považovat v současné době v našem školství za prakticky zvládnutou a obecně rozšířenou.
• výuka s využitím 3D technologií - po dlouhá léta opomíjená oblast mající význam především v oblastech svázaných se speciálně orientovaným průmyslem, armádou, případně s oblastmi, kde se lidově řečeno dalo najít velké množství finančních prostředků na pořízení výkonného hardware a velmi nákladného software. Není tajemstvím že tato oblast vznikala na platformě UNIX systémů, kde se opravdu nemuselo šetřit a byla dlouhá léta často nedosažitelná pro běžnou průmyslovou praxi a už vůbec ne pro školství. Toto období, v naší republice datované přibližně od roku 1990, ovšem v současné době zcela zásadně ovlivňuje vývoj a koncepci předvýrobních etap. Vítězství a dostupnost technologie Windows 32 a 64 bit je navíc základem pro masové nasazení postupů svázaných s 3D technologiemi obecně vycházejícími z parametrického modelování. Z pohledu výuky znamená tato oblast zcela zásadní změnu vyjadřování a myšlení. Návrh nového výrobku již nezačíná poměrně nepřirozeným a málo efektivním myšlením ve 2D. Návrh je stále více charakteristický studií vlastní funkčnosti, designu a hledisky ergonomie, které jsou realizovány na virtuálních 3D návrzích. S nástupem optimalizovaných CAD/CAE/FEM/CAM/PDM produktů 4. generace (Solid Edge, Inventor, Solid Works apod.) se navíc dostává ke všem uživatelům 3D řešení, které je za desetinu až dvacetinu ceny původních parametrických aplikací. Výuka těchto aplikací je v našem školství poměrně výrazně závislá na filosofii konkrétních škol. Jistý chaos a soustředění se firem dodávajících software v naší republice na komerční sektor přibrzdilo navíc vývoj této oblasti ve školství, ale obecně nelze tento stav považovat za kritický. Nelze jej samozřejmě srovnávat například s úrovní navrhování v automobilovém průmyslu, ale je prakticky totožný se situací řady menších firem, které o 3D řešení teprve uvažují. Školství a výuka se musí tomuto trendu bezesporu velmi rychle přizpůsobit. Filosofie 3D modelů, technologií a postupů s nimi svázaných je prostě nezvratný směr strojírenského navrhování, který má výrazně hlubší dopad na změny metodiky výuky než mělo období 2D.
• výuka s využitím PLM technologií – je trendem posledních přibližně tří let. PLM (Product Lifecycle Management) je zobecněnou filosofií, kterou musí respektovat každý výrobce, který chce být v dnešním extrémně konkurenčním světě úspěšný. Dlouhé roky se soustředili výrobci především na kvalitu svých výrobků z pohledu jejich technických parametrů. Konkurence ovšem nutí výrobce přemýšlet o výrobku ze zcela širšího hlediska. Hlavním zdrojem inspirace, produkce a případných inovací jsou požadavky zákazníků. Tyto požadavky jsou nepsaným zákonem, který ovlivňuje celý životní cyklus produkce výrobků. Řešení PLM vychází z maximálního zefektivnění produkce pomocí nasazení aplikované výpočetní techniky do všech ekonomických a technických oblastí. Cílem je co možná nejužší provázání jednotlivých fází produkce výrobků s výrazným zvýšením a zefektivněním tvorby dokumentace. PLM je fenoménem a pomyslnou mekou výrobců software pro strojírenství. Podobné trendy lze již v podstatně menším měřítku najít například ve stavebnictví. Z pohledu výuky se jedná o oblast známou pouze úzkému spektru škol. Lze říci, že právě tato oblast je jednou z nejzajímavějších z pohledu metodiky a koncepce výuky s maximální orientací na požadavky budoucí praxe. V této oblasti také celosvětově vznikají v posledních dvou letech ty nejzajímavější grantové projekty, úzce svázané s podporou jak ze strany komerčních institucí, tak ze strany státních organizací. Důvodem je především obrovský vliv PLM na změnu produktivity průmyslových kultur a zohlednění požadavků cílových zákazníku s jejich rychlým zhmotněním v novém výrobku. Pro výuku je podstatnou složkou soustředění se nejen na individuální projekty, ale především realizace týmových projektů simulujících reálnou situaci v prosperující průmyslové praxi. Počítač je pouhým nástrojem posilujícím maximálně tvůrčí sílu týmu zdatných odborníků. Pokud se podaří strategicky nasadit PLM komplexně do výuky na našich školách, lze říci, že máme tu nejmodernější a nejpokrokovější výuku na světě, kopírující reálnou situaci v praxi.
  

Co je dobrým základem v současných trendech výuky?

Mapujeme výuku CAx aplikací a startu PLM již téměř dvě desetiletí. Trendy v oblasti metodiky a postupů výuky jsou různé a vlastní řešení také. V posledních letech je možné spatřovat ve školství několik sjednocujících specifik, ze kterých lze bezesporu úspěšnou a co možná nejkomplexnější výuku PLM odstartovat:

• úspěšné nasazení CAx - do výuky škol se dostalo v posledním desetiletí velké množství aplikací, které jsou více či méně nasazeny v oblasti vzdělávacího procesu. Výuka aplikovaných informačních technologií se stává nedílnou součástí referenčních oborů a je brána jako nutný nástroj pro realizaci projektů. Za současný, velmi dobrý stav, lze vděčit především aktivitám individuálních skupin škol a firem, které byly úspěšně v posledních letech završeny projektem SIPVZ. Daří se efektivně vyučovat zcela nové postupy kopírující trendy běžné v průmyslové praxi. Jistě je nutné tuto oblast v budoucnu co nejvíc integrovat do výuky odborných předmětů a s existencí oblasti PLM prostě počítat. Koncepčně jsou preferovány ucelená software řešení než oddělené produkty. Posílení této oblasti je tedy bezesporu na dodavatelích software, kteří by měli maximálně podpořit ve své licenční politice studenty existencí finančně dostupných studentských licencí.
• modifikace klasické výuky - asi nejsložitější bod celé integrace PLM a týmových projektů, který bohužel není a zřejmě nikdy nebude ve školství tak flexibilní jako v komerční sféře. Hlavním důvodem je neexistence hlavního hybného motoru, tedy tlaku konkurence na reálnou produkci. Školství a výuka se musí tomuto trendu maximálně přizpůsobit. Zde poměrně velkou úlohu hrají požadavky rodičů a nastupující generace na kvalitu studia s vazbou na jejich uplatnění v praxi. Mnohdy je vše otázkou nejen financování, ale také filosofie jednotlivých škol a jejich spolupráce s regionální praxí, kterou lze spatřovat ve všech směrech nejen za pozitivní, ale vzhledem k budoucímu uplatnění studentů jako zcela nutnou. Zde bych připomněl situaci přibližně před deseti lety kdy existovala řada škol daleko lépe metodicky a technicky vybavených 2D CAD produkty než komerční sektor. V oblasti 3D a PLM je bohužel již tato situace výrazně horší. Hlavním základem úspěchu je tedy pochopení současných trendů a snaha jejich maximální integrace do reálné výuky na škole, při zachování kvalit stávající výuky. Je nutné stále preferovat kvalitu znalostí, ale ty se musí v dnešní době opírat o často zcela odlišné postupy, technologie zpracování a díky tomu i o odlišnou metodiku a koncepci.

Ucelené nasazení PLM především v technické oblasti (možná je i ekonomická) je vázáno na strategii a filosofii školy, která by měla své žáky co nejlépe připravit pro jejich budoucí praxi, na znalosti nadšených vyučujících a technické zázemí. Jistou cestou jak tento trend podpořit motivačně a finančně jsou cílené grantové projekty. V našem školství se jedná především o projekt SIPVZ. Spolupráci s průmyslem lze spatřovat především v oblasti informační a metodické, než v oblasti finanční podpory i když je samozřejmě jednoznačně pozitivní. Financování z prostředků EU je pro oblast školství a standardní výuky již méně zajímavá, protože je určena především pro podporu dalšího vzdělávání, ale i zde lze spatřovat jisté cesty.

Důležitou položku tvoří koncepce výuky PLM na škole. Současný stav je svázán především s roztříštěnou výukou CAx aplikací a její integrací do některých odborných předmětů. V této oblasti je nutné hledat styčné body, kterých nezvládnutí je kritické. Ruku v ruce by měl jít průřezový projekt s výukou aplikací a odbornými znalostmi. Je tedy nesmyslné a hloupé například učit pokrokové postupy 2D a 3D navrhování a nutit studenty pauzovat průřezové projekty z technologie, případně konstrukčních cvičení. Zcela zásadní význam mají samozřejmě pro takovýto projekt optimalizované postupy výuky základů technického kreslení, mechaniky, technologie apod.

Koncepce individuálních / týmových projektů s mezipředmětovými vztahy
realizovaná za podpory technické části řešení PLM

Ta největší parádička ve výuce začíná až s týmovými projekty podpořenými PLM. Trend a směr, který bude v budoucích letech zásadně odlišovat kvalitativní i kvantitativní výstup praktických a teoretických znalostí studentů. Při týmovém projektu, podpořeném maximální integraci aplikované informatiky s PLM řešením, dokážeme vytvořit výrazně rozsáhlejší projekty s vyšší úrovní komplexnosti a nutných postupů pro jejich úspěšnou realizací. Týmové projekty musí navazovat na individuální projekty studentů a kopírují produkci reálného výrobku v praxi. Hodnocení studentů v rámci práce v týmu by se tedy mělo odvíjet od jejich hmatatelných výsledků na finálním produktu celého týmu. Ze zkušenosti je možné říct, že takovýto tým by měla tvořit dobře komunikující skupina tří až pěti studentů.

Vezměte příklad z praxe a modifikujte jej na podmínky školy

Pro reálný model a představu si můžeme uvést konkrétní příklad z průmyslové praxe. Produkci německého výrobce, firmu HAMM AG, tvoří především stroje pro zemní práce. Výroba je směřována do segmentu trhu, který je úzce svázán s užitím strojírenských výrobků a výrazně ovlivňován požadavky zákazníků. Důležitou složkou v produkci firmy je tedy optimalizace zákaznických požadavků a jejich integrace do finálních produktů. Dalším podstatným aspektem je vysoká variabilita řešení a jejich flexibilní inovace při zachování optimální ceny stroje včetně jeho případného servisu.

Přímá cesta od prvotního designu k virtuálnímu modelu je díky PLM realitou
a díky konkurenci v současnosti nezbytností

Velmi důležitým vstupem do produkce výrobku je, vzhledem ke specifikům použití zařízení, interaktivita stroje s uživatelem a ergonomie. Tyto prvky, včetně analýzy trhu a zákaznických požadavků, jsou základem návrhu koncepce nového stroje, případně jeho následné inovace. Cesta od konceptu k návrhu byla vždy poměrně obtížná a často strastiplná. Nalezení optimálního řešení se studií příslušných variant je při klasických postupech násobkem času nutného pro realizaci s využitím virtuálních modelů a PLM. Hlavní přínosy nasazení PLM řešení lze spatřovat v oblastech:

• koncepční design - designerský návrh a jeho přímé zpracování do podoby modelu je díky specializovaným produktům zásadním a kvalitativním krokem urychlujícím optimalizaci návrhu výrobku.
• akcelerace konstrukce - finální designerská studie je převzata přímo jako zdrojová datová informace (3D plochy) pro vytvoření konstrukčního návrhu až na úroveň jednotlivých dílů včetně tvorby jejich výkresové dokumentace.
• analýzy a simulace - již ve fázi prvotního konstrukčního návrhu lze ověřit řadu funkčních stavů zařízení, včetně kinametických studií a ověření pevnosti jednotlivých dílů. Díky možnosti řešit multifyzikální úlohy, lze dnes již ověřit i například tlumič výfuku a hlučnost motoru.
• příprava technologie výroby - zemní stroj stejně jako jiné zařízení obsahuje tisíce dílů jejichž výroba probíhá za stále větší účasti programově řízených strojů, často v subdodavatelských vztazích.
• optimalizace výroby a jakosti - důležitou složkou produkce nového výrobku je řada postupů ověřujících kvalitativní aspekty produkovaného zařízení. Tyto aspekty se promítají přímo do systému řízení jakosti jako zpětná vazba.
• snadná inovace - zařízení v průběhu jeho provozu více či méně splňuje požadavky zákazníků. Je tedy nutné analyzovat jejich požadavky a ty zhmotnit v případné inovaci výrobku.
• rychlá realizace - produkce takto složitých zařízení není efektivně a rychle možná bez maximálního využití nakupovaných dílů a subdodavatelských vztahů. Kooperace týmů a dodavatelů, často působících po celém světě, je dnes nutností. Rozhoduje především flexibilita, čas a kvalita provedených prací.

Soustředění se na požadavky zákazníků a jejich spokojenost
při maximální variabilitě dodávaného řešení je jediným možným trendem

Výše uvedené body se samozřejmě soustředí na ty nejpodstatnější problémy, které je nutné zohlednit v přizpůsobení výuky stavu reálné praxe. Zcela je opomenuta oblast PLM, která je provázána s ekonomikou a řízením podniku. Ta je již doménou ekonomických oborů, logistiky a výuky managementu. Jedná se jistě o dobrou inspiraci pro ekonomicky zaměřenou výuku a školy.

Koncepce týmových projektů podpořených PLM

Pro realizaci týmového projektu na škole je nutné chápat především jeho komplexnost a individuální zodpovědnosti jednotlivých realizátorů. Studenti si musí uvědomit, že jsou každý kritickým členem týmu, jejichž produkt (projekt) je vždy úrovní jejich práce zásadně ovlivněn. Při nerespektování tohoto pravidla lze považovat projekt celého týmu za prakticky nesplněný. Zvyšuje se tím nejen motivační složka, ale i finální kvalita projektu. Soustředění se na kvalitu provedených prácí, a na hodnocení celku dává na výstupu velmi pěkné a často, na to že pracujeme se začátečníky, velmi pěkné výsledky.

Testy a optimalizace je v dnešní době velmi důležitá při prohloubení zpětné vazby na vývojový cyklus

Hodnotné v realizaci týmových projektů je jeho „zhmotnění“. Samozřejmě se může jednat o virtuální model i o finální produkt vyrobený například pomocí CNC strojů nebo Rapid Prototypingu. První řešení je našim školám celkem dostupné, druhá možnost je finančně značně nákladnější a je ji obecně vhodné spojit s možností využití RP zařízení také pro účely celoživotního vzdělávání případně částečně komerční využití.

Výhodou finalizace výstupu je nejen jeho atraktivita a možnost prezentace v „hmotném“ stavu, ale také potenciál pro realizaci řady zajímavých úloh z oblasti kontroly a měření, případně simulace provozu apod. Na takto řešeném výrobku můžeme také simulovat ekonomickou studii.

Aby byla simulace produkce s využitím PLM ve výuce úplná je bezesporu zajímavé zasadit do celého procesu výuky a její metodiky určitým způsobem inovační cyklus. Ten je rozhodující pro každou produkci. Často lze velmi malou změnou dosáhnout nejen výrazných úspor v návrhu zcela nového výrobku, ale zákazníka nadchnout pro případnou koupi inovovaného výrobku. Pádnou ukázkou této strategie je například strategie automobilek při obnově modelových řad. Příkladem může být extrémně úspěšný Volkswagen Golf, v jehož řadě bylo realizováno nejen několik inovovaných modelů, ale koncepce byla základem pro výrobky jiných značek téhož koncernu, konkrétně Audi A3, Seat Toledo a naší, oblíbené Škody Octavia. Strategie, inovace a unifikace modelových řad je při tom zdrojem vysoké kvality násobně testovaných řešení při výrazné flexibilitě řešení ovlivněných požadavky zákazníků.

Simulace zákaznických požadavků v týmovém projektu může být řešena například celoškolním hlasování a připomínkami na webu školy. Každý tým si tak může ověřit svůj návrh a případně jej podle požadavků upravit. Ocenění a prezentace projektů je bezesporu více než pozitivní a je dobrým „marketingovým“ tahem v propagaci školy vůči odborné i laické veřejnosti a především vůči zájemcům o studium.

Cesta k finálnímu výrobku je díky realizačnímu týmu využívajícímu PLM řešení efektivnější a snadnější

Samozřejmě za našim „hraním“ si s PLM ve výuce na škole je nutné vidět zcela zásadní dopad na znalosti a praktické zkušenosti studentů pro jejich budoucí praxi. Odladěný a optimalizovaný proces výuky nejen zvyšuje uplatnění absolventů konkrétních škol v praxi, ale oslovuje spolupracující firmy a prohlubuje regionální vazby mezi školami a firmami. Vše je dobrým závdavkem nejen pro získávání konkrétních finančních zdrojů, ale především základem kvalitně připravených studentů.

V komerční praxi je nasazení PLM řešení v týmově orientovaných
projektech spojeno s požadavkem na znalosti nových technologií a postupů

Závěrem výstižná poznámka z praxe

Jednotlivci se špičkovou technologií nejsou schopni zvládnout takové úkoly, jako perfektně fungující týmy lidí téměř bez ohledu na používanou technologii. Ta jim přinese prakticky jen zrychlení práce, neudělá nic za ně, zvláště v oblasti počítačového navrhování je tou hlavní a jedinou hnací silou konstruktér, nikoliv počítač nebo program. Dostane-li ale dobrý konstruktér i dobrý nástroj, výsledek na sebe nenechá dlouho čekat.

Dr. Ing. Pavel Štyl, Siemens VAI

Poděkování: děkujeme průmyslovému koncernu Siemens VAI a firmám UGS PLM Solutions, GEDAS, HAMM AG a Autodesk za poskytnutí zkušeností s integrací PLM.