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Losgröße Eins als Zielsetzung von Industrie-4.0-Strategien

Das große Los

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Industrie 4.0 | Ein Unikat in der Serienproduktion ist ein Widerspruch in sich. Trotzdem stellen Industrie 4.0-Konzepte Losgröße Eins in Aussicht. Welche Strukturen, Prozesse und Verfahren sind notwendig und sinnvoll für eine Individualisierung der Produktion?

Michael Grupp Freier Journalist in Stuttgart

Hinter dem Wunsch nach Losgröße Eins steht die Forderung nach immer kundenspezifischeren Produktlösungen. Vom einzelnen Nike-Turnschuh bis hin zur kompletten Siemens Antriebslösung inklusive Motor, Getriebe, Kupplung und Steuerungs-Software können Kunden heute via Konfigurator online individuelle Produkte zusammenstellen. Aber nicht für jedes Unternehmen ist Losgröße Eins tatsächlich das sinnvolle Maß aller Dinge – wobei das Schlagwort von „Losgröße Eins“ alle außerordentlich kleinen Chargen in der Fertigung umfasst. Deshalb gilt die erste Frage nach dem tatsächlichen Nutzen für Produzent und Kunde. Die ist im Fall hochspezialisierter Zulieferer-Teile wie zum Beispiel für den Flugzeugbau sicherlich gegeben, in anderen Fällen ist dagegen eine intelligente Exotensteuerung auf Basis eines ERP-Systems (noch) State of the Art. „Losgröße Eins bringt noch unglaublich viel Aufwand für die produzierenden Unternehmen mit sich“, resümiert Dr. Roman Dumitrescu, Direktor der Fraunhofer-Einrichtung für Entwurfstechnik Mechatronik (IEM) und Geschäftsführer des aus Bundesmitteln geförderten Clusters „Intelligente Technische Systeme Ostwestfalen-Lippe“.
Die Vision
Zukünftige Fertigungsprozesse werden eine kundenindividuelle Produktion unterstützen. Bei variantenreichen Produkten kann der Kunde direkt im Gespräch mit den Vertriebsspezialisten oder online die von ihm gewünschten Spezifikationen festlegen. Für jede einzelne Konfiguration erfährt er sofort Liefertermin und Preis. Dazu werden in Echtzeit die Produktions-Kapazitäten und -Ressourcen des Anbieters geprüft. Da dieser auch mit seinen Zulieferern und Logistikdienstleistern vernetzt ist, werden alle Details für eine termingenaue Lieferung im Hintergrund abgeklärt – inklusive aller Rohstoffe, Zwischenprodukte sowie der benötigten Werkzeuge. Ist ein Wunschtermin nicht realisierbar, werden automatisch Alternativen vorgeschlagen. Anschließend kann der Kunde die Produktions-Details in Echtzeit verfolgen und bis zuletzt noch Änderungen an der Produkt-Konfiguration vornehmen. Dabei wird ihm auch sofort mitgeteilt, welche Auswirkungen die Änderungen auf Termine und Preise haben.
Zwei Grundvoraussetzungen sind damit für Losgröße Eins unabdingbar: ein durchgehendes Datenmodell sowie eine intelligente Prozessautomatisierung.
Das digitale Rückgrat
Eine wirtschaftliche Losgröße Eins basiert im Industrie 4.0-Umfeld zwingend auf konsequenter Digitalisierung. Die IT ist Voraussetzung und Integrator. Eine flexible Smart Factory benötigt eine homogene Architektur auf Basis eines einzigen Netzwerks ohne proprietäre Inseln – über die Unternehmensgrenzen hinweg. Geplant wird über das übergeordnete ERP-System, das auch eine reibungslose Logistik sicherstellt. Innovationen und Produkte müssen digital designed, getestet und optimiert werden. Lange vor dem ersten Prototyp entsteht damit ein digitaler Zwilling, der im Idealfall Eins zu Eins dem späteren Endprodukt entspricht. Dieser digitale Ansatz muss auch die Produktionsplanung und das Engineering umfassen – von der virtuellen Inbetriebnahme einer neuen Anlage bis hin zum Qualitäts-Management. Stehen die Spezifikationen für ein neues Produkt, errechnet das System selbsttätig die Stücklisten für alle benötigten Teile und Komponenten. Beim Produktionsstart wandern die Konstruktionsdaten im Digital Enterprise nahtlos in die Produktion. Das klingt einfach, ist es heute aber noch nicht. Viele Softwarelösungen sind nicht miteinander kompatibel. In der Praxis werden heute Daten nicht selten ausgedruckt und manuell weitergegeben. Ein aufwendiger und fehlerrelevanter Prozess. Werden Teile aus dem Lager benötigt, kommen diese just-in-time an die Arbeitsplätze. Kein Problem dank der horizontalen und vertikalen Vernetzung; die schneller und zuverlässiger arbeitet als klassische Kanban-Systeme.
Die notwendige Digitalisierung für Losgröße Eins umfasst auch sämtliche Services für den Kunden – von der Konfiguration, über die Bestellung bis hin zum Einsatz beim Kunden. Beim Zerspanungs-Spezialist Mapal aus Aalen führen solche Überlegungen bis hin zur Planung einer Datenbank, die allen Beteiligten offensteht: Kunden, Lieferanten und allen Marktbegleitern. Konsequent umgesetzt führen solche Informationsstrukturen zu einfacheren Prozessen, weil die Daten bei der Entwicklung nur einmal definiert werden müssen und dann bis zum Recycling von allen Beteiligten genutzt werden. Damit ergeben sich auch neue Geschäftsmodelle von Predictive Maintenance-Ansätzen bis hin zu Pay-per-use-Modellen.
Neben den klassischen Fertigungs-Methoden gewinnen additive Verfahren im Umfeld von Losgröße Eins an Bedeutung. 3D-Drucke benötigen kein Werkzeug, wodurch sie sich besonders für die Fertigung von Kleinserien eignen. Darüber hinaus ermöglichen sie im Gegensatz zum Spritzguss auch Bauteile mit Hohlräumen oder Hinterschnitten.
Prozess-Automatisierung
Eine modular aufgebaute Produktion ist die zweite Voraussetzung für eine effiziente Produktion kleiner Chargen. Dabei werden unabhängige Fertigungseinheiten mit jeweils eigener Rechnerleistung ausgestattet und zu intelligenten Produktionssystemen zusammengeschaltet. Wie eine solche flexible Fertigungslinie aussieht, erforscht zum Beispiel das Deutsche Forschungszentrum für künstliche Intelligenz DFKI in Kaiserslautern. Seine Smart Factory ist die weltweit erste herstellerübergreifende Industrie 4.0-Anlage. Die einzelnen Module übernehmen Aufgaben wie Gravieren, Prägen, Wiegen und Transportieren. Für die Interoperabilität zwischen den Modulen sorgen Standards, die von der Smart Factory entwickelt wurden und für alle Projektpartner verbindlich sind. Die Datenkommunikation mit der Steuerungsebene erfolgt über einen Cisco Industrie Switch. Für den Anschluss und die Verteilung von elektrischer Energie, Druckluft sowie allgemeinen sicherheitsrelevanten Informationen verwendet die Demonstrationsanlage einen standardisierten Anschluss.
Zielsetzung ist eine möglichst flexible Fertigung. Für eine neue Charge können die Mitarbeiter die benötigten Module einfach neu zusammenstellen, nicht benötigte Einheiten können anderweitig eingesetzt werden. Eine Weiterentwicklung bestehender Plug & Play-Technologien ermöglicht die einfache Konfiguration der cyberphysischen Systeme beziehungsweise ganzer Anlagenmodule. Bestehende Produktionseinheiten können somit schnell und einfach um Services erweitert oder verkleinert werden und minimieren Wartungs- sowie Instandhaltungsausfälle. Gleichzeitig wird der Mitarbeiter im gewandelten Fabrikumfeld mit Kommunikationstechnologien ausgestattet. Bei komplexen und variablen Montage-, Wartungs- oder Instandhaltungsaufgaben unterstützen ihn „Smart Devices“. Dabei kommt auch Augmented Reality ins Spiel: die Überlagerung von Echtzeitbildern mit konkreten Handlungsempfehlungen.
Gelingt die Annäherung an die Losgröße Eins, kann sich das mehrfach auszahlen. Einerseits lassen sich für passgenaue Produkte Preisaufschläge durchsetzen. Andererseits kann das Unternehmen damit schneller auf Markttrends und neue Kundenbedürfnisse reagieren. Somit lohnt sich der von Dumitrescu prognostizierte Aufwand.

Die Serie rundum Industrie 4.0
Wir begleiten Sie auf dem Weg zur Digitalisierung: Hier beleuchten wir die Aspekte rund um Losgröße Eins. Wir setzen die Serie in Ausgabe 28 mit dem Thema „Normung & Standards“ fort. Wenn Sie tiefer in die Materie einsteigen möchten, finden Sie in unserer Schwesterzeitschrift „Elektro Automation“ ergänzende Informationen.
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