Fraunhofer IPK

Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik

Industrie 4.0 – Flexible ­Produktion mit Durchblick

­Fraunhofer IPK auf der Hannover Messe 2016

Industrie 4.0 verspricht vor allem: Große Flexibilität in der Produktion. Künftig soll es möglich werden, Fertigung bei stabilen Kosten auf immer neue Produkt- und Prozessvarianten einzustellen. Im Idealfall sollen selbst kleine und kleinste Losgrößen realisierbar werden, ohne dass die Produktionskosten explodieren. 

Der Schlüssel dazu steckt in vernetzten Informations- und Kommunikationstechnologien: In der Fabrik der Zukunft sind sämtliche Instanzen der Fertigung – Menschen, Werkstücke, Maschinen und Werkzeuge – durch modernste IKT verknüpft. Sie können direkt miteinander kommunizieren und kooperieren. Gleichzeitig werden produktionsbezogene Informationen jederzeit in Echtzeit verfügbar und können in situations- und aufgabengerechter Darstellung an jedem Ort abruf- und austauschbar gemacht werden. 

Solche Technologien ermöglichen neue Formen der Produktionsorganisation, die starre Fertigungsstrukturen aufbrechen. Mitarbeiter auf allen Ebenen im Betrieb – von der Unternehmensleitung über die Produktionsplanung bis auf den Shop Floor – können umfassender und wirksamer als je zuvor über Auftragsdaten und Prozesspläne informiert und mithilfe intelligenter Werkzeuge in die Steuerung des Produktionsablaufs eingebunden werden. 

Wie auf dieser Grundlage Produktion flexibler gestaltet werden kann, zeigt das Fraunhofer IPK auf der Hannover Messe 2016 am Beispiel einer Getriebefertigung. Zahnräder werden bisher in fest verketteten Linien hergestellt, bei denen etwa Fräs- und Drehmaschinen miteinander verbunden und die auf spezifische Bauteile ausgelegt sind. Fällt eine Maschine aus, steht die ganze Linie still. Zudem ist es aufwendig bis unmöglich, Linien auf ein variantenreiches Angebotsportfolio einzustellen oder Aufträge mit besonderen Anforderungen zu fertigen.

Will man hier flexibler werden, ist die Verkettung aufzuheben. Eine Alternative ist das Werkstattprinzip. Dabei werden Maschinen für ähnliche Fertigungsaufgaben gruppiert – etwa mehrere Drehmaschinen zu einer Drehmaschinengruppe. Dies ermöglicht einen flexiblen Durchlauf eines Auftrags durch die Fertigung. Außerdem können Maschinengruppen für verschiedene Bearbeitungsaufgaben unterschiedlich groß ausgelegt werden – zeitintensivere Bearbeitungsverfahren können mit mehr Kapazitäten ausgestattet werden. Die Reaktionsfähigkeit und Auslastung des Maschinenparks können dadurch erheblich verbessert werden.

Ein solches Fabriklayout erlaubt es, Abläufe jederzeit zu verändern und an auftragsspezifische Erfordernisse anzupassen. Einerseits kann zum Beispiel ein Drehauftrag flexibel auf allen verfügbaren Drehmaschinen ausgeführt werden. Andererseits können Bearbeitungsschritte immer wieder in anderer Folge aneinander gereiht, zusätzliche Schritte aufgenommen oder Unnötiges weggelassen werden. Allerdings ist ein dynamisches Prozessnetz sehr abstimmungsintensiv – damit es beherrschbar bleibt, muss sichergestellt sein, dass alle Beteiligten zu jeder Zeit den Überblick behalten. Zudem müssen in einer verkettungsfreien Fertigung alternative Methoden eine wichtige Aufgabe der Verkettung übernehmen: einen zuverlässigen Produktionsdurchlauf gewährleisten. Sonst könnten Bearbeitungsschritte vergessen werden oder ein Auftrag auf halbem Weg durch die Produktion stecken bleiben, weil er an einer Bearbeitungsstation wiederholt im Interesse dringenderer Aufträge zurückgestellt wird.

Hier kommen die neuen Möglichkeiten der digitalen Vernetzung ins Spiel. Sie unterstützen die Definition und praktische Anwendung flexibler Prozessnetze, die bedarfsgerecht angepasst werden können. Dabei steht der Mensch im Mittelpunkt: Es sind die Mitarbeiter auf allen Ebenen eines Produktionsbetriebs, die dafür sorgen, dass ein Werkstück termingerecht durch die Fertigung geleitet wird. Doch damit das in einem Prozessnetz, an dem viele Köpfe und Fertigungsstationen beteiligt sind und das mit jeder Produktvariante etwas anders zusammengesetzt sein könnte, zuverlässig klappt, sorgen intelligente Technologien für die nötige Transparenz und vergleichen ständig den realen Arbeitsfortschritt mit den geplanten und geforderten Terminen. Solche Konzepte machen Industrie 4.0 auch für kleine und mittlere Unternehmen interessant, da sich bei überschaubarem Investitions- und Implementierungsaufwand eine erheblich anpassungsfähigere Ablaufsteuerung erzielen lässt.

Das Hannover Messe-Exponat verdeutlicht entlang einer Prozesskette vom unternehmensweiten Auftragsmanagement bis zur Arbeit an der einzelnen Maschine, wie ein Paradigmenwechsel in der Produktionsorganisation aussehen könnte. Dabei werden im Zusammenspiel mit vernetzten Technologien die Aufgaben von Mitarbeitern in unterschiedlichen Bereichen eines produzierenden Unternehmens neu definiert. Die erhöhte Flexibilität wird durch Transparenz aufgefangen. So werden Unternehmen fit für die kundenindividuelle Produktion.

Fünf Stationen thematisieren Technologien und Forschungsergebnisse der Projekte MetamoFAB, iWePro und pICASSO sowie Resultate aus IPK-eigener Vorlaufforschung. Die Präsentation erfolgt in enger Kooperation mit den an den Projekten beteiligten Partnern.