Virtuele printers spil in ontwikkeling bij Canon

Intern bij Canon Production Printing wordt weinig gesproken over digital twins, maar de virtuele printers die de Venlose engineers veelvuldig gebruiken, zijn het wel degelijk. De uitgebreide modelleerinspanningen zijn cruciaal om de complexe printsystemen succesvol te laten zijn. ‘Met virtuele printers kun je zaken onderzoeken die je in de echte wereld niet kunt.’

Alexander Pil
18 september

Modellering zit in het dna van Canon-engineers. ‘De organisatie is behoorlijk model-minded’, stelt Bart Theelen, systeemarchitect model-based development bij de Venlose printerbouwer. ‘Modelgebaseerde en modelgedreven ontwikkeling, we zijn al heel ver met die mindset. We hebben de organisatiestructuur erop aangepast om het gemeengoed te maken binnen heel Canon Production Printing, en niet alleen op de r&d-afdeling. Dus cross-site, cross-disciplinary en cross-printer project. Daarbij werken we intensief samen met Canon in Japan.’

Foto: Canon

Een typische modelleerbenadering kent Canon niet. ‘Dat komt omdat het volledig afhangt van wat je wilt modelleren en met welk doel’, aldus Theelen. ‘Op basis daarvan kijken we wat de meest geschikte methode is. Soms moet je zelf wat verzinnen, maar over het algemeen is er voor de meeste zaken al een tool of een oplossing beschikbaar. Daar wil je bij aansluiten, en niet het wiel opnieuw uitvinden. Of we sluiten aan bij een bepaalde ontwikkeling omdat we denken dat die de potentie heeft om ons beter te helpen.’

Canons gereedschapskist is goed geoutilleerd en beslaat een breed scala aan technieken. ‘Verschillende engineers gebruiken verschillende tools; zelfs binnen een afdeling zie je variatie waar dat zinvol is’, vertelt Theelen. ‘In de basis zijn onze printers natuurlijk gewoon machines. Daar komt software, elektronica, mechanica en mechatronica bij kijken, maar in ons geval ook specifieke chemie en fysica. Voor al die domeinen zijn heel wat modelleertools op de markt. Steeds kijken we wat op elk moment de beste optie is. Wat we vooral proberen te doen, is onze domeinkennis te vangen in de technologie die zo’n tool biedt.’

Naast de meer standaard domeinen, spelen er bij Canon een aantal zaken die je niet zo snel bij andere machinebouwers zult tegenkomen. Het kernproces – het deponeren van inkt op papier – kun je immers alleen op kwalitatief hoog niveau uitvoeren als je zeer precies weet hoe die inkt en dat papier zich gedragen. Theelen: ‘We gebruiken daarvoor modelleergereedschap uit de chemiewereld en doen met universiteiten onderzoek om dat aan te vullen met de specifieke fysica die voor ons interessant is.’

Virtuele crash

Ondanks dat modellering een zeer vooraanstaande positie heeft binnen Canon, is er één buzzword dat weinig voorbijkomt. ‘We praten relatief weinig over digital twins’, geeft Theelen toe. Maar: ‘Ik hanteer een heel ruime definitie van dat begrip. Verschillende engineers bij Canon maken verschillende modellen voor verschillende doeleinden. Voor mij zijn die virtuele printers allemaal digital twins. Bij een digital twin denken de meeste mensen wellicht aan een virtuele representatie van een – al dan niet bestaand – fysiek systeem dat het gedrag van dat systeem visualiseert. Maar er zijn nog zo veel meer vormen, zelfs digital twins van systemen die nog helemaal niet bestaan. Zo’n virtueel prototype is net zo goed een digital twin, die je gebruikt om in de ontwerpfase te onderzoeken of je op de goede weg bent en het systeem gaat werken zoals je wilt. Dat kan multidisciplinair zijn, maar ook monodisciplinair, bijvoorbeeld door met een cad-pakket mechanische stressanalyses te doen. Dat is voor mij al een digital twin. De bekendste vorm van een digital twin is wellicht een driedimensionale visualisatie, maar dat hoeft niet. Net zo informatief is een grafiek die de trend laat zien van wat er gebeurt als je een bepaalde ontwerpparameter aanpast.’

Om de befaamde kloof tussen afdelingen en tussen engineers te overbruggen, zijn extra tools nodig. ‘Een digital twin is in die zin een prima communicatiemiddel. De uitdaging is dat iedereen zijn view zoals hij gewend is uit bijvoorbeeld de elektronica, software of mechanica terugziet’, zegt Theelen. ‘Maar omdat onze systemen steeds complexer worden en we toch grip willen houden, zijn virtuele printers – digital twins zo je wil – essentieel. Op die manier kun je met hetzelfde aantal mensen meer voor elkaar krijgen.’

‘Met modellen kun je zaken onderzoeken die je in de echte wereld niet kunt’, gaat Theelen verder. ‘Je kunt bijvoorbeeld de virtuele printer laten crashen en controleren of de software zo’n situatie goed afhandelt. Dat zou je ook met een fysiek apparaat kunnen doen, maar dan gaat hij wellicht echt stuk en dat is toch een beetje jammer.’

Foto: Canon

‘En je kunt meer ontwerpalternatieven testen. Als je dat fysiek doet, kost dat veel tijd en geld, maar met die modellen kun je van alles proberen. Als je een ander printerconcept wilt bouwen, kun je eerst virtueel bekijken wat dat betekent voor de productiviteit of de printkwaliteit. De modellen geven je een goede inschatting wat het zou kunnen opleveren.’

Een zeer interessante toepassing van digital twin-technologie ziet Theelen in de koppeling met datascience en artificial intelligence. ‘Onze printers in het veld hebben vaak een unieke configuratie. Als er iets aan de hand is, wil je niet altijd in het vliegtuig springen, en je kunt zo’n systeem ook niet precies nabouwen om te onderzoeken waar het probleem zit’, weet Theelen. ‘Maar op basis van de data uit het veld kunnen we het prima naspelen in ons model. Zo analyseren we het probleem en zoeken we naar een oplossing. Als we er virtueel niet uit komen, kunnen we altijd nog een monteur langssturen.’

Juiste balans

Printkwaliteit is een cruciale eigenschap voor de Venlose systemen. Canon maakt daarvoor intensief gebruik van allerlei modelleertechnieken. Op dit moment werkt het bedrijf aan de volgende generatie van zijn Colorado-, Colorstream-, Prostream- en Varioprint-machines. ‘We passen daar het virtuele printer-platform toe om te kijken hoe we die nieuwe systemen beter kunnen maken en wat de beste oplossingen zijn’, vertelt Theelen. ‘Het toepassen van modellen helpt om ontwerpkeuzes te onderbouwen of om te beslissen voor welke experimenten we een fysieke testopstelling moeten bouwen.’

Een mooi voorbeeld zijn de printkoppen. ‘We kunnen verschillende lay-outs van de spuitmondjes met onze modellen uitproberen en kijken wat het effect is op de printkwaliteit’, legt Theelen uit. ‘Je kunt een alternatief onderzoeken zonder dat je een peperdure printkop hoeft te laten maken. Je wilt van tevoren behoorlijk zeker zijn over de specificaties die je hebt bedacht.’

Foto: Canon

Een aantal eigenschappen moet Canon nog altijd fysiek testen, maar de Venlose engineers streven ernaar om zo veel mogelijk analyses virtueel te doen, door alle beschikbare kennis in hun modellen te vangen. ‘Op basis van die kennis doe je een uitspraak over hoe mooi het plaatje is, hoeveel het papier vervormt en hoe goed de inkt blijft plakken. In principe wil je in de virtuele wereld hetzelfde kunnen doen als wat je in de echte wereld zou kunnen doen.’

Daar zit een gigantische uitdaging, want hoe modelleer je bijvoorbeeld het gedrag van papier. Dat bestaat immers uit verschillende lagen natuurlijke vezels die onderling zijn verstrengeld. Bovendien is er veel variatie in gebruikte papiersoorten. ‘Voor een deel zijn er modellen, voor een deel zijn die in ontwikkeling, en voor een deel weet niemand het precies en is er meer academisch onderzoek nodig’, weet Theelen. ‘Maar het is typisch een vraag die we onszelf stellen als we een printerontwerp doorlichten. Wat is de range aan papiersoorten die we met dit procedé kunnen gebruiken? En ook: welke inkten passen erbij? We willen de klant een zo breed mogelijk aanbod kunnen doen in de papiersoorten die hij kan gebruiken. Aan de andere kant, als dat betekent dat je een heel dure inkt nodig hebt, moeten we toch op zoek naar een betere balans.’

‘Met virtuele printers en digital twins kunnen we parameters in ons design veranderen en instellingen aanpassen, en onderzoeken wat dat betekent voor onze drie belangrijkste kpi’s: productiviteit, printkwaliteit en kosten’, besluit Theelen. ‘Daar wil je de juiste balans vinden die precies aansluit bij het marktsegment waarop je mikt.’

Tijdens de Digital Twin Conference op 4 november in Eindhoven geeft Bart Theelen een presentatie met de titel ‘Digital twins for print process development’, waarin hij niet alleen ingaat op Canons gebruik van virtuele printers maar ook de aanpak vanuit organisatorisch oogpunt belicht.