Fertigungssysteme und Produktionssteuerung

FuE-Trends 2022 / 2023

Fertigung ohne Takt und Band

Das wichtigste Argument für eine datengetriebene, ­vernetzte Fertigung liegt in ihrem Potenzial, Flexibilität in die Produktion zu bringen. Lange Zeit waren ­starre Produktionsstrukturen alternativlos, wenn schnelle Durchläufe gefragt waren. Jetzt werden sie obsolet. Statt hochinte­grierter, fest verketteter Anlagen favorisieren Produktions­fachleute zunehmend modulare Anlagen­systeme, die flexibel kombiniert werden.

Die Effizienz von Serienprozessen und fest verketteten Produktionslinien ist unbestritten. Wenn ein Prozessschritt zuverlässig in den nächsten greift, werden Aufträge in kurzer Zeit abgearbeitet. Aber starre Produktionsstrukturen haben auch Nachteile. Der größte: Es ist aufwendig bis unmöglich, damit kundenindividuelle Spezialaufträge zu realisieren. Die sind in vielen Unternehmen aber längst Alltag, selbst im klassischen Seriengeschäft. Manche Anbieter operieren mit 50 000 Systemprodukten bei jährlichen Wiederholraten von 1,4. 

Soviel Agilitätsbedarf macht hochintegrierte Anlagen unwirtschaftlich. »Hochintegration ist das Gegenteil von agil. Da sind Neuprogrammierungen für Kunden, die Spezialfeatures brauchen, viel zu aufwendig und teuer«, resümiert Dr. Hübert von Biotronik. Mit dieser Einschätzung ist er nicht allein. Unternehmen, die einen großen Teil ihrer Produkte nur einmal herstellen, nehmen viele Prozessschritte in Handarbeit vor. Umfassende Automatisierung lohnt für sie nicht, sie favorisieren stattdessen kleinere, hochflexible Anlagentechnik. 

Vernetzung macht die Fabrik der Zukunft hochgradig flexibel

Maschinenbauer und Systemlieferanten reagieren inzwischen auf diesen Bedarf. »Stellen Sie sich eine Fabrik vor, in der nur Boden und Decke fix sind, der Rest ist flexibel«, skizziert Sven Hamann von Bosch die Fabrik der Zukunft. »Darin stehen Roboter, mobile Einrichtungen, Handarbeitsplätze mit Bedienungsführung oder wiederverwendbare Standardmaschinen. All das kann ich in kürzester Zeit neu anordnen und konfigurieren.« In solch einer Produktionsumgebung sind die Maschinen produktagnostisch: Mit derselben Anlage werden verschiedenste Varianten eines Produkts produziert – oder unterschiedliche Produkte. 

In der flexiblen Fabrik wird der Netzwerkknoten ein ebenso essenzieller Maschinenbestandteil wie das Spannfutter. Denn die Verkettung von Produktionsschritten erfolgt informationstechnisch. Eine große Aufgabe, weil dazu Anlagen in Dialog gebracht werden müssen, die von verschiedenen Herstellern stammen oder heterogene Standards verwenden. Das lässt sich zum Beispiel mit IT-Adaptern umsetzen, die die Maschinensteuerung für Vernetzung öffnen. Ergebnis ist idealerweise eine selbstorganisierende Produktion, wie sie das Fraunhofer IPK vorantreibt. Darin kommunizieren und kooperieren sämtliche Fertigungsinstanzen – Menschen, Werkstücke, Maschinen und Werkzeuge – direkt miteinander. So kann zum Beispiel ein Werkstück eigenständig seinen Weg durch die Fertigung organisieren, indem es passende Bearbeitungsressourcen anfragt. Bearbeitungsstationen bieten freie Kapazitäten an oder lehnen ab, wenn ihre Datenlage auf einen Wartungsbedarf hindeutet. 

Automatisierungslevel kann unterschiedlich ausfallen

Der Automatisierungsgrad kann je nach Unternehmen sehr unterschiedlich ausfallen. Daher gibt es keine universelle Antwort auf die Frage, wie Industrie 4.0 aussieht. Manche Unternehmen profitieren am meisten von einer digital unterstützten Prozesssteuerung. Diese kann im einfachsten Fall lediglich von einer Station zur nächsten das Wissen darüber weitergeben, um welchen Auftrag es sich handelt, welche Bauteile dazu gehören und wie sie im nächsten Schritt zu bearbeiten sind. Autonomere Ablaufsteuerungen sprechen die Anlagen direkt an, um Prozesse zu orchestrieren. Mit modellbasierten, modularen Konzepten können Prozessschritte dabei in immer neue Abläufe kombiniert werden. So wird die Produktion variabel und kundenindividuelle Fertigung oder schnelle Reaktionen auf Ausnahmesituationen werden mühelos machbar. Das erhöht nicht zuletzt die Resilienz gegenüber Krisensituationen.

Für manche Betriebe wird es sich weiterhin lohnen, bestimmte Prozessteile voll zu automatisieren. Besonders geeignet sind die Kommissionierung, die Maschinenbestückung oder auch Werkzeugwechsel. Mit KI-basierten Methoden der optischen Erkennung lassen sie sich auch bei wechselnden Produktrohlingen oder Werkzeugtypen effizient gestalten. 

Logistiklösungen ins Prozessmanagement einbeziehen

Auch für die Intraprozess-Logistik bieten sich umfassend automatisierte Lösungen an. Dies ist ein Gebiet, das in der Fertigungslehre lange Zeit nur ein Randthema bildete. »Bisher wird die Logistik im Prozess gemeinhin nicht als Teil der Wertschöpfung verstanden, doch dieses Denken ist nicht mehr zeitgemäß«, meint Prof. Helmut-Joseph Schramm, Leiter internationale Produktion BMW Motorrad und Mitglied unseres Kuratoriums. Denn wer Takt und Band verlässt, braucht alternative Lösungen, damit das Produkt im Produktionsprozess von A nach B kommt und an jeder Bearbeitungsstation das erforderliche Material bereitsteht. 

An dieser Stelle kommen zum Beispiel fahrerlose Transportsysteme (FTS) oder Automated Guided Vehicles (AGV) ins Spiel. Sie lassen sich sogar in die Ablaufsteuerung integrieren – die Logistik wird integraler Teil des Produktionsprozesses. Dieses Konzept wendet die Daimler Truck AG an. »In einigen unserer Werke fahren die Fahrzeugkabinen nicht mehr auf dem Band, sondern auf AGV von einer Bearbeitungsstation zur nächsten«, berichtet Dr. Anne-Katrin Tomys-Brummerloh, Managerin Montageplanung und Implementierung innovativer Technologie bei Daimler Truck. »Das AGV führt die Information mit, welche Produktionsnummer es gerade fährt. Wenn es in eine Station einläuft, wird dort der Arbeitsauftrag ausgelesen.«

Methodenbaukasten von Fertigungsfachkräften erweitert sich

Wenn Produktionsanlagen und andere Shopfloor-Einrichtungen flexibel in immer neue Prozesse zusammengesteckt werden, sollten sich auch die Methoden und Technologien für Pilotierung und Absicherung ändern. Digitale Zwillinge und virtuelle Inbetriebnahme spielen hier eine entscheidende Rolle. Mit ihnen lässt sich prüfen, ob bei einer Neuanordnung jede Maschine an den vorgesehenen Platz passt und die Anordnung sinnvoll ist. Wird ein Prozess neu konfiguriert, kann sichergestellt werden, dass er reibungslos durchlaufen wird. So werden Ausfallzeiten bei Inbetriebnahme und Rekonfiguration gering gehalten. 

Durch all diese neuen Ideen verändert sich die Sicht darauf, was »der Produktionsprozess« umfasst und wie er zu gestalten ist. Die Interaktion mit IT und Logistik erweitert die Aufgabengebiete in der Systemgestaltung. Expertinnen und Experten unterschiedlicher Domänen müssen viel stärker als bisher zusammenarbeiten. Am Fraunhofer IPK ist das bereits gelebte Realität. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass künftig digitale Technologien ebenso wie Logistiklösungen Domänenwerkzeuge der Produktionstechnik werden. 

Unsere Lösungen für dieses Themenfeld

  • Agiles Prozessmanagement für flexible Produktionsorganisation
  • Virtuelle und physische Adapter und Sensoren als Basis für Vernetzung
  • Modulare Shopfloor IT zur Synchronisierung heterogener Produktionssysteme
  • Intraprozesslogistik mit fahrerlosen Transportsystemen
  • Teilautonome Prozessketten bis hin zu selbstorganisierender Produktion
  • Virtuelle Inbetriebnahme mit digitalen Prozess-, Fabrik- und Anlagenzwillingen

Drei Fragen an

Prof. Dr.-Ing. Helmut-Joseph Schramm

BMW Group

 

Flexible Produktionsprozesse ganzheitlich denken

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Unsere Referenzen aus dem Themenfeld Fertigungssysteme und Produktionssteuerung zeigen, wie wir Prozesse autonomer machen und welche Lösungen wir für ihre Pilotierung und Inbetriebnahme entwickeln.

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