Intelligente Maschinen für die autonome Fertigung

Johannes Gillar

An der Digitalisierung kommt in der Fertigungsindustrie niemand vorbei. Auch die Hersteller von Werkzeugmaschinen müssen sich dieser Transformation stellen. Digitalisierte Systeme werden die Produktionsprozesse in Unternehmen revolutionieren. Erste Maschinenkonzepte der Hersteller vernetzen bestehende Technik mit neuen digitalisierten Komponenten und gehen damit einen konkreten Schritt in Richtung digitalisierte Produktion. Experten sehen die industrielle Fertigung durch vernetzte, sich selbst steuernde Maschinen quasi bereits runderneuert. Und die Technologie autonomer, sich selbststeuernder Maschinen ist schon heute vorhanden. Gerd Duffke, Programmleiter Personalentwicklung Sonderprojekte beim Werkzeugmaschinenhersteller Trumpf in Ditzingen, betonte in einem Vortrag beim Personal Forum der Hochschule Pforzheim über das Thema Digitalisierung der Produktion: „Teilprozesse der Blechbearbeitung sind mittels Laser-, Stanz- und Biegetechnologie in geschlossene Produktionseinheiten integriert, einschließlich automatisierter Werkzeugwechsel und diverser Überwachungssensoren.“ Damit seien auch kleine und kleinste Losgrößen mit unterschiedlichen Materialien – einmal programmiert – fast ohne menschliche Eingriffe zu realisieren. Die gesamte Prozesskette im Unternehmen, von der Auftragsannahme, Materialbeschaffung und -zuführung über die Weiterverarbeitung bis hin zur Auslieferung werde durch komplexe IT-Programme gesteuert, welche Hersteller wie beispielsweise Trumpf bereits entwickeln würden.

Das wirft die Frage auf: Wie weit ist der Maschinenbau beim Thema Digitalisierung, insbesondere in der spanlosen Fertigung beziehungsweise der Blechbearbeitung tatsächlich? „Schon heute werden zum Beispiel Pressenlinien einschließlich aller Pressenstufen und Automationskomponenten komplett am Computer simuliert“, sagt Schuler-Technologievorstand Dr. Stephan Arnold und erklärt: „Lange bevor die Werkzeugsätze eingespannt werden, produziert das virtuelle Abbild der Anlage schon ein Teil nach dem anderen.“ Dadurch lasse sich die Zeit für den Teile-Transport minimieren, die Ausbringungsleistung optimieren, und die Inbetriebnahme-Dauer verkürze sich drastisch. Dies bestätigt auch Alexandre Bonay, Leiter Business Development Umformtechnik bei Siemens, der zudem zwei wesentliche Trends in der Blechbearbeitung bei Pressenlinien beobachtet: die logistisch-technische Verkopplung von Umformanlagen zur integrierten Fertigung und die optimierte Abstimmung vertikaler Stößel- und horizontaler Transferbewegungen. „Beide führen zu einem verstärkten Einsatz von Simulationstechniken – zur Evaluation und Optimierung der Konzepte und Prozesse. Optimierungspotenziale werden in der virtuellen Welt einfach, schnell und risikofrei evaluiert – und direkt in konkrete Vorgaben für die Fertigung umgesetzt“, sagt er. Damit werde der Umgang mit dem digitalen Zwilling, einem digitalen Abbild der realen Maschine, zu einer neuen Schlüsselqualifikation der industriellen Umformtechnik. Betroffen seien alle Phasen des Lifecycle: von Produktentwicklung über Fertigungsplanung, Maschinen- und Anlagenbau, dem eigentlichen Fertigungsbetrieb, bis hin zu Wartung und Service. Bonay: „Das umfasst die Handhabung und Pflege der dafür benötigten Systeme und Tools, das Beschaffen beziehungsweise Erstellen der digitalen Pendants aller relevanten Ressourcen, die eigentlichen Simulations- und Optimierungsprozesse und schließlich das Übertragen der per Simulation ermittelten optimalen Fertigungsparameter in den realen Betrieb.“

Digitale Zwillinge (Kurzzeitprognosemodelle) und digitale Schatten (Echtzeitdatenaufnahme) spielen bei der Digitalisierung der Produktion eine wichtige Rolle. Um was geht es dabei konkret und welchen Mehrwert Maschinenbauer und -betreiber in der spanlosen Fertigung und Blechbearbeitung davon haben, erklärt Siemens-Experte Bonay: „Der digitale Zwilling einer Pressenlinie ist für das Einrichten der Maschine nicht mehr wegzudenken. In der Automobilindustrie nutzen unsere Kunden seit mehr als zehn Jahren das Produkt Press Line Simulation, kurz PLS. Zusätzlich zu einer verkürzten Einrichtungsphase und der damit verbundenen Vermeidung von Stillstandzeiten der Maschine ermöglicht PLS eine typische Produktivitätssteigerung von etwa zehn Prozent.“ Vor sechs Jahren habe Siemens PLS zum ersten Mal mit der Automatisierung einer Pressenlinie gekoppelt, um offline erzeugte Optimierungsparameter direkt in die Anlage zu übertragen. „Der digitale Zwilling fungiert in dieser Konstellation wie ein Maschinen-Master. Das Ergebnis, die interaktive Press Line Simulation (iPLS), ermöglicht kürzere, direktere Optimierungsschleifen“, erklärt Bonay. Der Prozess lasse sich somit von ausgebildeten Maschinenführern kontinuierlich verbessern und eine zusätzliche Produktivitätssteigerung generieren. „Wir untersuchen derzeit den potentiellen Mehrwert von Virtual Reality in der Arbeit mit digitalen Zwillingen. In einer virtuellen Umgebung können Raumverhältnisse und Bewegungsabläufe intuitiver und genauer erfasst werden“, verdeutlicht er. Das Einrichten einer Pressenlinie könnte dem Experten zufolge durch die VR-Anwendung noch schneller und sicherer erfolgen und möglicherweise weitere Produktivitätsvorteile bieten.

Dass die Digitalisierung in Teilen bereits Realität ist, beweist Pressenhersteller Schuler. „Unsere Anlagen liefern Daten mit Hilfe von Sensoren, die an den verschiedensten Stellen verbaut sind – beispielsweise um die Presskraft zu messen. Weicht der Presskraftverlauf von einem bestimmten Muster ab, ist das ein Hinweis auf Unregelmäßigkeiten im Prozess“, betont Arnold und ergänzt: „Auf diese Weise lassen sich wichtige Informationen für die Instandhaltung der Linie sammeln und Schäden für Maschine und Werkzeug vermeiden.“

So weit, so gut. Doch welche Herausforderungen müssen die Maschinenbauer meistern, um in der autonomen Welt der Industrie 4.0 erfolgreich zu bestehen? „Es geht darum, neuen Kundennutzen durch Vernetzung zu generieren. Wie im privaten Leben auch, können sehr viele Tätigkeiten vereinfacht oder sogar automatisiert werden“, erklärt Heinz-Jürgen Prokop, Vorsitzender des Vereins Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken (VDW). Das Denken in Vernetzungslösungen sei für viele Unternehmen jedoch noch neu und benötige einen veränderten Blickwinkel. Die Maschine dürfe nicht mehr allein im Fokus stehen. Vielmehr müsse man sie optimal in die Intralogistik eines Unternehmens einbetten. Mittelständische Werkzeugmaschinenbauer sehen dieser Entwicklung noch skeptisch entgegen. Denn durch die Digitalisierung steigt insbesondere die Bedeutung von Software. Manche Hersteller stellt das vor Probleme. Denn die Software, die sie bisher benötigten, saß zumeist in der zugelieferten Maschinensteuerung. Aber wie sollen Maschinenbauer im zukünftigen Internet der Dinge bestehen, wenn in alle Komponenten ein Stück Software integriert wird und die Steuerung in die Cloud wandert?

Bei Schuler sieht man solchen Fragen gelassen entgegen. „Viele unserer Anlagen verfügen bereits über die nötigen Schnittstellen. Die Kunst besteht nun darin, eine übergreifende Vernetzung zu schaffen, die einen echten Mehrwert bietet“, betont Technologiechef Arnold. Auf der Fachmesse Euroblech Ende Oktober in Hannover zeige Schuler mit dem Konzept „Smart Press Shop“, wie sich durch Lösungen zur Vernetzung in der Umformtechnik nicht nur die Prozesssicherheit, sondern auch die Wirtschaftlichkeit der Produktion erhöhen lasse.

Und auch Prof. Gisela Lanza, Leiterin des Bereichs Produktionssysteme am wbk-Institut für Produktionstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), empfiehlt nicht in Panik zu verfallen. Globale Produktionsstrategien, Produktionssystemplanung und Qualitätssicherung sind ihre Themen. Sie rät dazu, sich intensiv mit dem Thema zu beschäftigen. „Die kleineren und mittleren Unternehmen sollten das Thema fokussiert in kleinen Projekten angehen. Sie können in diesem Themenfeld von ihrer Geschwindigkeit und Agilität stark profitieren, müssen ihre Ressourcen und Kapazitäten jedoch zielgerichtet einsetzen.“

Vor diesem Hintergrund spielen für den Maschinenbau der Zukunft Daten eine immer wichtigere Rolle. Doch welche Voraussetzungen benötigen die datenbasierten Anwendungen von morgen? Das bloße Sammeln von Daten reicht hier nicht mehr aus, das Stichwort in diesem Zusammenhang ist intelligente Nutzung von Daten. Daten, so Schuler-Technologie-Vorstand Arnold, spielen eine immer wichtigere Rolle im Maschinenbau. „Bei Schuler erkennen Sie es zum Beispiel daran, dass wir nicht nur Ingenieure suchen, sondern zunehmend auch Software-Spezialisten“, betont er. Doch das bloße Sammeln von Daten reiche nicht aus, man müsse auch die richtigen Rückschlüsse daraus ziehen. „Wird dann erkannt, dass etwas nicht rund läuft, so kann sich der Service-Techniker online auf die Anlage des Kunden schalten. Schon heute lässt sich ein Problem durch den Schuler Remote Service in neun von zehn Fällen aus der Ferne beheben“, nennt er ein Beispiel.

Auch Alexandre Bonay ist klar, dass mit zunehmender Digitalisierung der Maschinenindustrie immer mehr Daten anfallen. „Um solche Datenmengen richtig auswerten zu können, muss man sie verstehen. Das heißt, man muss über das Wissen verfügen, wie Geräte und Anlagen funktionieren, und mit welcher Sensorik und Messtechnik man an die wirklich nützlichen Informationen herankommt“, betont er. Hier seien nicht die Masse an Daten („big data“), sondern vor allem intelligente Daten („smart data“) entscheidend. „Wer Daten richtig analysieren kann, der kann dem Maschinenbetreiber wertvolle Hinweise über beispielsweise die Effizienz seiner Maschinen geben“, ist der Siemens-Experte überzeugt. Auch andere Experten der Werkzeugmaschinenbranche sehen das ähnlich. „Statt auf „Big Data“ setzen wir auf „Relevant Data“, erklärt Dr. Markus Flik, geschäftsführender Direktor der Chiron Group während der Fachmesse AMB in Stuttgart, den Ansatz des Tuttlinger Maschinenbauers. Das ist einer der Punkte, warum er überzeugt sei, dass die Maschinenbauer auch neuen Wettbewerbern im Bereich der Digitalisierung Paroli bieten können. „Als Werkzeugmaschinen-Hersteller haben wir ein umfassendes technisches Domänen-Know-how, das den IT-Unternehmen, die diesen Markt erobern wollen, fehlt. Und dieses Maschinenbau-Fachwissen erspart oftmals Big-Data-Rundumschläge. Die reine Suche nach Mustern und Datenkorrelationen in großen Datenmengen ist ein gangbarer Ansatz, wenn Wirkzusammenhänge unklar sind. Aber bei unseren Bearbeitungszentren kennen wir diese Kausalitäten sehr gut und können die entsprechenden Erkenntnisse viel schlanker und effektiver gewinnen“, erklärt Flik.

Hat man datentechnisch erst einmal die Spreu vom Weizen getrennt, bietet die Digitalisierung den Unternehmen einen großen Vorteil. Die relevanten Informationen lassen sich entlang der gesamten Produktionskette austauschen. Den Nutzen für die Betriebe beschreibt Dr. Stephan Arnold: „Der übergreifende Austausch von Daten, also die ganzheitliche Vernetzung, ist ja der Grundgedanke von Industrie 4.0 und ermöglicht erst Vorteile wie etwa eine erhöhte Ressourceneffizienz. Eine digitalisierte Pressenlinie lässt sich am Computer viel schneller als im realen Presswerk auf Höchstleistung trimmen. So verhält es sich auch mit der digitalisierten Produktionskette.“ Und auch Alexandre Bonay weiß, dass eine konsequente vertikale Vernetzung die Datenversorgung und die Datengewinnung aus dem Betrieb der Maschinen optimiert. „Durch die Datenauswertung in der Maschine selbst oder in einem übergeordneten lokalen oder Cloud-basierenden System wie unserer Lösung ‚MindSphere – Siemens Cloud for Industry‘ eröffnen sich dem Betreiber weitere Potentiale.“

Die Digitalisierung der Produktion insgesamt und der spanlosen Fertigung beziehungsweise der Blechbearbeitung im Besonderen schreiten also voran. In Großbetrieben ist die vernetzte Fertigung vielfach bereits Realität. Doch wie sieht es mit der Umsetzung bei kleinen und mittelständischen Unternehmen aus? „Vielen kleinen und mittelständischen Unternehmen erscheint Industrie 4.0 als ein unbezwingbarer Berg“, räumt Arnold ein und macht gleichzeitig Mut: „Dabei bringen ihre Anlagen und sie selbst die nötige Ausrüstung oft schon mit.“ Die größte Überwindung koste der erste Schritt. Wenn man sich erst einmal an den Aufstieg gemacht habe, bestehe die eigentliche Gefahr eher darin, sich auf dem Weg an die Spitze in irgendeinem Seitental zu verirren und das eigentliche Ziel – den Nutzen – aus den Augen zu verlieren, warnt er. Von Seiten Siemens kommt zusätzliche Ermutigung für kleinere Betriebe. „Nachdem die Digitalisierung zuerst die großen Endkunden und damit auch nahezu alle OEMs erreicht hat, können wir jetzt auch attraktive und lohnenswerte Lösungen für die kleinen und mittelständigen Unternehmen und Anwender anbieten“, kündigt Bonay an. Diese Lösungen würden es den Anwendern erlauben, je nach Ausgangslage und Notwendigkeit erste Schritte in die Welt der Digitalisierung zu tun.

Die Werkzeugmaschinenbranche – unabhängig davon, ob spanend oder spanlos – befindet sich also mitten in der digitalen Transformation. Durch die Digitalisierung werden die Prozesse schneller, effizienter und besser. Doch bevor es soweit ist, müssen viele Maschinenbauer, insbesondere kleinere und mittlere Betriebe, noch ihre Hausaufgaben machen.

Freier Journalist in Leinfelden-Echterdingen