Dacă esți nou în industria de mobilier sau dacă atelierul tău este in continuă expansiune sau dezvoltare accelerată, este absolut necesar să folosești un software de optimizare de tăiere. Software-ul pentru optimizarea de debitare sau, popular spus, de tăiere, este un produs pe care trebuie să-l folosești în fiecare zi și etapă de planificare și producție deoarece te ajută să optimizezi material și să fii mai eficient, adică să dedici mai puțin timp activității de tăiere și să economisești mai mult material.
Optimizarea de tăiere este un proces destul de complex și eu cred că este foarte important ca tu să înțelegi ce face, cum te ajută și, în ultimă instanță, cum te ajută pe tine să fii mai eficient în procesul de planificare. M-am gândit să-ți explic în termeni foarte simpli, într-un mod organizat care, sper eu, să te facă să înțelegi foarte ușor deoarece va cuprinde și alte informații care îți vor fi de ajutor acum sau mai târziu.
Table of Contents
- Definiția științifică
- Cum functioneaza software-ul pentru optimizare de taiere
- Exemple de clasificare a optimizarii de taiere
Definiția științifică
În lucrările de cercetare de matematică și algoritmică acest tip de optimizare are propria definiție care explică ideal care este problema. Aceasta se numește: cutting stock problem.
Ca idee generală, această problemă se referă la tăierea mai multor piese dintr-un material și optimizarea acesteia astfel încât să se mențină un nivel minim de deșeu sau rebut. Pe internet sau în diferite alte soft-uri de optimizare de tăiere vei mai găsi denumirea în limba engleză, high yield, care se referă la procentul utilizării de material sau nivelul de optimizare.
Pentru aplicațiile industriale, datorită – sau din cauza – complexității și constrângerilor tehnologice, optimizarea este o problemă combinatorie care nu are un răspuns exact sau finit. Ca să întelegi mai bine, niciuna dintre probleme nu este rezolvată 100%, deci nu există un raspuns sau o soluție unanim acceptată ca fiind cea mai bună. Mai jos în articol vei găsi și o informație despre cum oamenii de știință au ajuns la un consens, un fel de echilibru al optimizării.
Optimizarea este o problema rezolvată în mai multe moduri, iar din punct de vedere matematic aceste moduri se numesc euristici. Euristici foarte populare sunt vreo 10 la număr și acestea sunt utilizate în cele mai multe dintre soft-urile de optimizare de tăiere și debitare.
Mno, noi știm că definițiile și toată partea aceasta matematică nu este neapărat ce te așteptai să citesti aici, dar crede-mă pe cuvânt când îți spun că asta este o informație care te va ajuta să înțelegi și mai bine acest proces. În plus, sunt foarte pasionat de optimizarea de tăiere și îmi place enorm să transmit tuturor informațiile pe care eu le-am învățat în decursul a câțiva ani, atât din cărți, cât și – cel mai important – din fabricile și atelierele de mobilă. Dacă te ajută, până ajungi în miezul problemei, m-am gândit să facem niște analogii care să-ți fie de ajutor.
La începutul secolului 20, Tobias Dantzig, un matematician ruso-american, a început să studieze și chiar să denumească o problemă denumită problema knapsack.
Dacă vrei, poți găsi pe Wikipedia ce înseamnă mai exact, dar pentru o explicație mai facilă am pregătit o primă analogie, simplă și amuzantă, care ne ajută pe noi, oameni neloviți de geniu 🤣, să înțelegem mai bine.
Imaginează-ți că în timpul pandemiei de COVID ți-ai pierdut locul de muncă și a trebuit să găsești un mod prin care să susții financiar familia ta, formată din fiul tău și soția. Te-ai gândit la diverse soluții, dar nimic nu părea ce îți doreai. Într-o seară, în timpul ce vizionai un film pe Netflix, te-a trăsnit o idee fulger. De ce sa nu jefuiești o bancă? Așa că ai început să planifici in cel mai detaliu întregul plan, dar ai realizat că ai o problemă. Planul tău este să îndeși bunurile din seifuri în singurul rucsac pe care îl aveai acasa, împrumutat de la la fiul tău, rucsac cu o gură de intrare (sau deschidere) foarte mică, să zicem 10 x 10 cm, iar volumul total disponibil este de 12 litri. Problema este că în cele 3 minute în care poți îndesa bunurile găsite trebuie să umpli rucsacul doar cu bunurile care au cea mai mare valoare. Ei bine, cam asta este o problemă de matematică combinatorie. La fel cum este și optimizarea.
Deci, înainte de a începe să tai dintr-o foaie de pal, mdf sau orice alt material, trebuie să te gândești care ar fi cea mai bună metoda prin care poți face asta.
Cum functioneaza software-ul pentru optimizare de taiere
În primul rând, optimizarea de tăiere este un proces care se adresează mai multor tipuri de producție care, evident, au propriile materiale, precum lemn și derivate, sticlă, metal, țevi, cabluri, etc. Practic tot ce poate fi tăiat.
Acum, acest orice-poate-fi-tăiat are proprietăți dimensionale, volumetrice și altele în funcție de specificul materialului. De exemplu, dacă tai țevi, ai nevoie de software de optimizare de tăiere 1D. Continuăm articolul cu tipurile de optimizare pentru a-ți putea crea o imagine de ansamblu asupra acestora.
Exemple de clasificare a optimizarii de taiere
Optimizare de tăiere 1D
Optimizarea de tăiere 1D este un proces potrivit pentru materialele cu formă liniară precum bare, țevi, bârne, cabluri, tuburi, diferite forme și profile, balustrade, profile de aluminiu/pvc/nylon/compozite, șine, ferestre, etc. Acum știu că îți imaginezi că acesta este un proces simplu pentru materialele cu formă liniară, dar complexitatea vine din constrângerile și limitările atât ale materialelor, cât și ale tehnologiei de tăiere. Uite căteva exemple care pot aduce complexitate asupra optimizării 1D:
- Piesele pot avea unghiuri diferite
- Există o fibră sau șablon care trebuie luat în considerare
- Este necesară o anumită ordine de tăiere
- Lațimi de tăiere diferite și specifice
- Pierderi tehnologice din cauza procedurii de tăiere precum umiditate, temperatură, elasticitate, tensiune, etc.
Optimizare de taiere 2D
Este considerată una dintre cele mai utilizate modele de optimizare deoarece este folosită inclusiv în proiecte casnice, do it yourself și, într-adevăr, poate fi de foarte mare ajutor pentru aplicații și proiecte pe care le realizezi în plan personal și hobby. O optimizare de tăiere 2D, ața cum specificam mai devreme, este reprezentată de problema matematică cutting stock, care înseamnă tăierea unor piese de formă rectangulară dintr-un material de formă rectangulară.
Apropo, dacă ești un mini tehnicus și îți place să cercetezi mai mult, poți căuta pe internet folosind cuvintele cheie 2DSCP sau two-dimensional cutting stock problem. De asemenea, poți găsi suficiente resurse dacă cauți și bin packing problem.
Optimizarea 2D este, deci, un proces des întâlnit în multe industrii de tăiere și prelucrare a materialelor precum lemn, sticlă, plastic sau hârtie. Ții minte când am scris mai sus despre faptul că nu există o soluție perfectă și optimizarea se bazează pe diferite euristici? Ei bine, aceste tipuri de optimizare sunt încă în curs de cercetare. Poți găsi suficiente euristici și lucrări de cercetare precum A Global Method for a Two-Dimensional Cutting Stock Problem in the Manufacturing Industry, o lucrare publicată în 2020 de Yao-Huei Huang, Hao-Chun Lu, Yun-Cheng Wang, Yu-Fang Chang și Chun-Kai Gao, o echipă de oameni de știință de la Universitatea Natioanala din Taiwan. O poți găsi aici.
Acum am ajuns la partea care probabil reprezintă cel mai mult interes pentru tine și anume optimizarea de tăiere 2D luând în considerare constrângerea tehnologică de tăiere de tip ghilotină. Știu că ți se pare deja foarte complicat, dar îți explic eu foarte simplu deoarece chiar ai nevoie de informația asta. În primul rand, aici, la Astra Nesting, optimizarea de tăiere și debitare a materialelor se realizează cu ajutorul algoritmului de ghilotină. Deci, guillotine cutting pentru optimizarea de tăiere și generarea unei liste și diagrame de tăiere. Așa că, ești gata? 😊
Tăierea de tip ghilotină este un proces de tăiere care începe dintr-o parte și se termină în cealaltă parte (de la un capăt la altul sau, în limba engleză, end to end). Să spunem că tăierea se face începând din L1 și se termină in L2. În acest proces de tăiere nu ai posibilitatea să te oprești. Ca la fierăstraiele circulare mari, industriale, cu masă. Imaginează-ți ghilotina de pe vremuri, ghilotină cu care se decapitau oameni. Odată ce ai dat drumul la ghilotină, nu o mai poti opri. (Nu am gasit o analogie mai bună..). Această tăiere de ghilotină este o constrângere a unui proces tehnologic folosit de utilaje și mașini de prelucrat precum fierăstrau circular, cnc pentru tăiere, agreate pentru tăiere în pachet, formatizare, etc.
Ca să întelegi mai bine, uite un exemplu:
Dacă tot vorbim despre constrângeri tehnologice, în optimizarea de tăiere 2D pentru lemn și, în general, industria de mobilier, avem următoarele constrângeri:
- Grosimea pânzei sau lățimea de tăiere care, de regulă, coincind.
- Tunderea sau trim-ul marginilor
- Nivelul de optimizare (sau numărul de rotații ale plăcii)
Pentru atelierele sau fabricile mai mari există alt nivel de abstractizare cu constrângeri și mai diverse precum:
- Constrângeri tehnologice ale utilajelor sau fluxului de producție
- Diverși parametri de tăiere, inclusiv ordinea de tăiere
- Managementul deșeurilor sau resturilor din tăiere
Așa cum am specificat mai devreme, această secțiune de optimizare de tăiere 2D nu reprezintă o listă exhaustivă a tuturor problemelor care pot fi rezolvate cu optimizarea 2D. Vom pastră informațiile care sunt cele mai comune din punct de vedere al interesului tău și a celor mai folosite procese și activități tehnologice din cadrul unui mic atelier de producție mobilier.
Acum hai să o luăm de la 0, dăm un fel de restart. Acum ești într-un proces de documentare despre optimizarea de tăiere a materialelor, să zicem optimizare PAL. Ești interesat ca în urma acestui proces de optimizare să ai și o diagramă de tăiere. Documentarea ta are 2 posibile perspective:
- Vrei să înțelegi ce înseamnă optimizarea și cum te poate ajuta.
- Ai deja o ofertă pentru un software de optimizare, dar ți se pare scump sau complicat de utilizat.
Așa că, în cele care urmează, voi detalia un ghid simplu care va fi de ajutor pentru simplele procese care se desfașoară în peste 80% dintre atelierele de mobilier din întreaga lume.
Optimizarea de tăiere și generarea de liste de tăiere
Cunoașterea procesului de producție
Să presupunem că tu faci mobilier la comandă. Mobilierul tău este realizat din materiale precum PAL, MDF sau alte materiale compozite care vin în formă rectangulară.
Pașii de realizare a unui proiect de mobilier
- Măsurarea efectivă a elementor care trebuie produse
- Planificarea. Pe hârtie sau cu ajutorul unui software
- Identificarea pieselor care trebuie tăiate
- Folosirea unui software de optimizare de tăiere pentru generarea diagramelor de tăiere
- Tăerea efectivă
- Îmbinarea și asamblarea
Procesul de bază de optimizare de tăiere
- Trebuie să ai o listă cu piesele pe care ai nevoie să le tai cu toate specificațiile precum dimensiuni, orientare fibră (daca este cazul).
- Trebuie să știi care este dimensiunea materialului din care tai aceste piese. De regulă, pentru PAL, dimensiunea standard este 2800 x 2070 mm.
- Trebuie să afli care sunt constrângerile tehnologice ale echipamentului pe care îl vei folosi pentru tăiere.
- Adaugi piesele și materialele în soft-ul de optimizare.
- Adaugi constrângerile tehnologice precum grosimea pânzei, nivelul de optimizare, headcut, etc. – totul în funcție de informațiile pe care le ai despre utilajul tău.
Voila, în baza informațiilor de mai sus trebuie să poți realiza o optimizare și o generare a unei diagrame de tăiere
Într-un proces simplu de producție a mobilierului cam aceștia sunt pașii de bază pe care trebuie să-i urmezi. Tot ce trebuie să faci este să te familiarizezi cu interfața soft-ului. Eu știu că foarte multe soft-uri de optimizare au o interfață complexă cu foarte multe opțiuni care nu îți sunt necesare, dar pentru asta exista Astra Nesting 😈. Ca sa-ti fie tie facil sa faci optimizari. 😉
Terminologie și constrângeri tehnologice
- Orientarea fibrei
Când produci mobilier la comandă, una dintre provocări este ca atunci cand folosești material care are o fibră sau textură sau decor (sau cum vrei tu s-o numești) să te asiguri că ai o continuitate a pieselor. Ei bine, majoritatea soft-urile de optimizare de tăiere știu de această constrângere și au implementat opțiuni în care atunci când adaugi piesele de tăiat să poți să selectezi selectezi și cum ar trebui sa fie orientată fibra, pe lungime sau le lățime. Evident, după ce în prealabil ai adăugat placa sau materialul din care vei executa optimizarea, inclusiv modelul și orientarea fibrei. Ca să ne asigurăm că am înteles bine ce reprezintă aceasta fibră o să încercăm o separare a opțiunilor disponibile.
În primul rând, atunci când utilizezi un software de optimizare, de regulă, vei avea un ghid sau un proces care reprezintă ordinea operațiilor. În mod normal, prima oară se adaugă materialele sau plăcile din care urmează să execuți tăierea, apoi se adaugă piesele pe care vrei să le tai. Atunci când adaugi materialele și piesele trebuie să specifici care este orientarea fibrei care poate avea următoarele 3 variante:
- Orientarea pe lungime
- Orientarea pe lățime
- Fără fibră sau nu ține cont de fibră
În cazuri mai rare există materiale care au fibră sau model/ decor cu orientări diferite, poate anumite unghiuri, de exemplu. Ei bine, aceste scenarii nu pot fi rezolvate cu software de optimizare 2D, ci cu software de nesting -> o să discutăm puțin mai târziu în articol.
Pentru a întelege și mai bine, vezi imaginea de mai jos pe care am găsit-o pe site-ul https://norelcocabinets.ca/
Daca esti interesat sa citesti mai multe despre fibra si orientare, poti citi aceasta explicatie destul de interesanta.
- Tipul sau Nivelul Optimizare
Ei bine, să știi că aici există o situație foarte simpatică. Fiecare software de optimizare încearcă să aducă o proprie explicație pentru această specificație. Unii ii spun Optimization Type, alții Optimization Level. În principiu, denumirile diferite s-au născut în urma algoritmilor utilizați de acest soft-uri de optimizare. Dar eu am găsit o explicație simplă care explică suficient de clar ce reprezintă.
Pentru că în majoritatea soft-urilor vei găsi următoarele cuvinte care explică aceeași chestie. Optimization Level, Optimization Type, Optimization Stages, Cutting Compexity, Optimization Rotation. Ce înseamnă asta? Practic se referă la numărul de rotații al materialului pe masa utilajului. Nu știi ce reprezintă asta? Iți spun eu. Aceasta este o combinație între proprietățile și constrângerile tehnologice ale utilajului și eficiența de tăiere care este definită ca efort sau timp necesar pentru tăierea efectivă. Ca să întelegi și mai bine, hai să separăm puțin pașii dintr-un proces standard de tăiere:
- Atunci când încarci placa sau materialul în utilaj, de regulă ai opțiunea de a selecta – în soft-ul utilajului – cum ai încărcat, adică să alegi între varianta portret și peisaj (portrait/landscape). (Aceasta este un pas important deoarece are relevanță cu optimizarea, dar este cel mai des întâlnit la utilajele industriale). Să presupunem că prima tăiere se face pe lungimea plăcii. Practic, pentru toate tăierile care se execută pe aceeași direcție, fără să muți placa de material, putem spune că acesta este nivelul 1 de optimizare.
- Când ai terminat de tăiat toate piesele în acest nivel 1 de optimizare, în multe cazuri ai nevoie ca unele din piese sau restul de material să fie rotit cu 90°. Acum ești practic în nivelul 2, a doua rotație a materialului.
- Și de aici încolo procesul se poate repeta la nesfărșit. Practic pot exista n rotații care vor conduce către o mai bună utilizare de material, însă cu un efort de timp considerabil mai mare.
Așa cum spuneam mai sus, fiecare software are propriile definiții și opțiuni, însă majoritatea algoritmilor de optimizare s-au calibrat în timp pentru acest proces simplu de tăiere. La unele dintre soft-uri poți găsi o setare de la 1 la 100, iar la altele poti găsi, pentru aceeași setare, un fel de bară cu pași pe care o poți muta singur, dar nu-ți spune exact ce reprezintă.
Cred că este pentru a 3-a oară când pomenesc despre faptul ca optimizarea aceasta nu are o soluție ideală sau finită. A fost important să ajungi cu cititul până în punctul acesta pentru a întelege mai bine procesul și de abia acum îți explic care este diferența dintre algoritmii și optimizările realizate de către aceștia.
Dacă vrei să utilizezi cât mai mult din material trebuie să știi că asta se poate realiza folosind un software care permite nivelurile de optimizare sau rotații multe. Conform bunelor practice la nivel internațional sau chiar acceptanță tehnologică, 3 este numărul de rotații ideal care prezintă într-un echilibru, un raport bun, cu cea mai bună eficiență, a materialului utilizat versus timpul dedicat tăierii efective. Pe de cealaltă parte, este important de menționat că aceasta eficientă este relativă. Dacă pentru materiale uzuale sau mai puțin scumpe este suficient, pentru anumite materiale este nevoie de mult mai multe rotații. De exemplu, cu siguranță că la taierea unor plăci din metale prețioase este nevoie de un nivel superior de optimizare.
- Trim sau Tundere margini
Aici nu ar trebui sa întâmpini dificultăți. Aceasta este funcționalitatea cu ajutorul căreia tunzi din materialul din care vrei sa tăi. Practic ți se oferă opțiunea să tunzi de pe fiecare latură a acestuia.
De ce ai face asta?
Există multe scenarii în care ai nevoie de această funcționalitate, dar îți vom da câteva exemple:
Un material sau o placă pot avea defecte de fabricație, s-au ciobit, zgâriat, rupt în timpul transportului sau manipulării. Exemplu: Hai să presupunem că ai cumpărat o placă de PAL wenge cu dimensiunea 2800 x 2070 mm și aceasta nu avea nici imperfecțiune. Atunci când ai descărcat-o ai reușit să zgârii o porțiune de 5 mm de pe o latură. Atunci când adaugi această placă ca material din care vrei sa tăi, trebuie să măsori cât trebuie să taie utilajul din acea placă ca să scoată porțiunea de 5 mm. În felul acesta, algoritmul de optimizare știe că trebuie să ia în calcul acea parte, dar nu o poate utiliza pentru niciuna dintre piese. Ce se va întampla este că soft-ul îți va tăia o bandă/strip de dimensiunea pe care i-ai dat-o tu și o va marca ca fiind deșeu.
Un alt exemplu este depozitarea neconformă a PAL-ului. Poate fi nivelul de umiditate sau expunerea la soare. Poate fi și modul sau orientarea în care a fost așezată. Din cauza depozitării neconforme pot apărea tot felul de defecte, precum simpla umflare a materialului și până la deformarea acestuia. Toate sunt din cauza materialului din care a fost realizat PAL-ul, material care reprezintă o combinațe (aglomerat) de sticlă, lemn, adeziv, etc. care, în timpul procesului de fabricație și-a creat propriile tensiuni.
O altă variantă poate fi reprezentată și de constrângerea tehnologică. Există utilaje care, din motive de siguranță, nu pot executa tăieri sub și peste o anumită dimensiune deoarece pot genera benzi/strips care afectează sub o anumită formă o parte din proces. La foarte mulți producători de utilaje multe strip-uri pot ajunge în subansamblele acestuia, iar remedierea, deși de multe ori este un proces simplu, prin simpla înlăturare a strip-urilor ne costă bani pentru că utilajul nu produce.
- Lățimea de tăiere sau grosimea pânzei
Simplu, nu? Este, dar nu prea. Și îți spun de ce. Așa cum spuneam și mai sus, software diferit înseamnă setări diferite care, din păcate, înseamnă terminologie diferită. Oricum, poate fi confuz, mai ales atunci când nu ai folosit un astfel de software și cercetezi tot google-ul. Dacă ești la primul software de optimizare de tăiere, atunci hai să clarificăm și asta:
Lățime pânză = Grosime pânză = Lățime de tăiere
Nu este nimic special cu această setare, nu reprezintă nimic mai mult decât ceea ce zice că este. Practic este setarea pentru pânza care efectuează tăierea. De obicei, această grosime este inscripționată pe pânză sau ambalajul acesteia. Această grosime este, de regulă, în industria mobilierului de PAL, de 5 mm. Dacă nu gasești nicăieri scrisă această informație, ia un șubler și măsoară.
Câteva mențiuni de reținut:
Mulți utilizatori preferă să-și ascută pânzele în loc să achiziționeze unele noi. Nu este nimic de blamat, ba din contră, este o formă sustenabilă. Astfel, după cum toți știm, ascuțirea presupune înlăturarea prin șlefuire din materialul dintilor pânzei. Deci, dacă o pânză nouă are lățimea de 4.4 mm, în timp, în funcție de cât de des s-a ascuțit, aceasta poate ajunge la 4.2 mm, diferența care poate afecta optimizarea efectivă deoarece fiecare tăiere/trecere a pânzei ia din suprafața disponibilă a materialului. Ce-i drept, diferența asta este una foarte mică, aproape imposibil de sesizat în peste 99% dintre proiectele de optimizare.
Pentru a fi complet sincer, lățimea pânzei nu este întotdeauna egală cu lățimea de tăiere. Există unele scenarii, dar în afara industriei lemnului, unde lățimea de tăiere poate fi mai mare decât lățimea pânzei. Aici intră în discuție RPM (viteza de rotație per minut). Când o pânză este rotită cu un rpm mic atunci lățimea de tăiere este mai mare decât lățimea pânzei. Dar, din nou, asta nu are legătura cu industria lemnului.
Lățimea de tăiere este importantă pentru optimizarea de tăiere deoarece, așa cum am menționat mai sus, ia din suprafața disponibilă de tăiere. Deci, cu cât mai multe tăieturi, cu atât mai puțină suprafață netă disponibilă. Pierderea realizată din cauza grosimei pânzei este considerată pierdere tehnologică. Nu te speria, nu ai cum să faci să fie diferit. Nu există nicio soluție de tăiere a lemnului fără pierdere tehnologică.
Optimizare de taiere 3D
Acest capitol poate fi foarte lung și plictisitor pentru cititorii de aici. Bănuiesc că oricum ai ajuns aici deoarece lucrezi în industria lemnului și nu ești interesat de chestii în afara ariei de interes. Dar dacă sunteți, îți spun următoarele. Din tot ce stiu eu, nu există niciun proces sau aplicație care să aibă nevoie de optimizare de tăiere de material 3D. Cea mai apropiată aplicabilitate este a problemei packing problem de exemplu, pentru containerele de transport. Practic, problema este adăugarea a cât mai multe obiecte într-un container cu o anumită dimensiune. Un alt exemplu poate fi determinarea spațiului ocupat de un aranjament de sfere, o problemă de geometrie unde există deja o teoremă din secolul 17, Kepler conjecture, denumită dupa Johannes Kepler, un matematician german.
Optimizare de tip Nesting
În curs de actualizare.
