Digitale Fabriken als Planungsgrundlage für Industrie 4.0-Konzepte

Eine Fabrik, gebaut aus Bits und Bytes

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Noch ist die Smart Factory mehr Zukunftsvision denn Realität. Simuliert wird sie dagegen schon komplett: als Digitale Fabrik. Die Erkenntnisse daraus optimieren Planung und Realisierung zukünftiger Produktionsstrukturen.

Michael Grupp

Die entsprechende VDI-Richtlinie definiert die Digitale Fabrik als „Oberbegriff für ein umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen und Methoden unter anderem der Simulation und 3D-Visualisierung. Ihr Zweck ist die ganzheitliche Planung, Realisierung, Steuerung und laufende Verbesserung aller wesentlichen Fabrikprozesse und -ressourcen in Verbindung mit dem Produkt.“

Mithilfe einer digitalen Fabrik wird demnach durch unterschiedliche Methoden, Instrumente und Applikationen eine reale Fabrikplanung vorbereitet und unterstützt. Die Bandbreite reicht von der Produktentwicklung und der Produktionsplanung bis hin zum Fertigungsanlauf. Das Ziel besteht darin, alle Bereiche einer Fabrik virtuell zu planen, abzubilden und zu simulieren. Einer der Treiber für den Einsatz Digitaler Fabriken ist die Notwendigkeit, in einem herausfordernden Wettbewerbsumfeld immer flexibler und wirtschaftlicher agieren zu können. Der Fokus liegt dabei vor allem auf der Produktionsplanung. In dieser Phase werden die primären Betriebskosten definiert – und in dieser Phase können sie am nachhaltigsten beeinflusst werden. Spätere Änderungen und Optimierungen werden nur teilweise greifen, weil die fundamentalen Strukturen bereits bestehen und meist nicht mehr grundlegend verändert werden können.

Mit Digitalen Fabriken können naturgemäß vor allem Datenfluss und -speicherung sowie der spätere Workflow definiert und optimiert werden. Im Fokus stehen dabei eine gemeinsame Datenbasis zur Minimierung redundanter Daten, die Standardisierung von Prozessen, Ressourcen und Betriebsmitteln sowie die Definition von Aufgaben, Kompetenzen und Automatisierungsmöglichkeiten. Und nicht zuletzt sollen natürlich auch die Kosten beim Einkauf von Teilen, Maschinen und Anlagen gesenkt werden. Das wichtigste Werkzeug dafür ist das Product-Lifecycle-Management (PLM). Dessen Kernfunktionen bestehen aus der Verwaltung von Produktdaten und Prozessen von der Montageplanung bis hin zu Ergonomie-Simulationen und CNC-Programmierung für die Robotersteuerung.

Ein Produktleben lang

Dabei darf die Digitale Fabrik keine Insellösung bleiben, sondern muss offen für die vorhandenen IT-Strukturen bleiben. „Fabrikplanung, Produktentwicklung und Anlagensteuerung werden noch weiter zusammenwachsen“, stellt Andreas Barth, vormaliger Geschäftsführer für die Region Zentraleuropa bei Dassault Systèmes fest. So ist zum Beispiel eine enge Verbindung des PLM-Systems mit der betriebswirtschaftlichen Software, aber auch mit der Produktionsebene notwendig. Prof. Dieter Wegener, leitender Angestellter bei Siemens sowie Sprecher des ZVEI-Führungskreises Industrie 4.0, sieht innerhalb von Industrie-4.0-Konzepten grundsätzlich zwei Welten aufeinanderprallen: „Die eine ist der Shop-Floor, in der real produziert wird. Die andere ist der Office-Floor, in der geplant und mithilfe von Simulationen virtuell produziert wird.“

Für die Vision Industrie 4.0 müssen diese beiden Welten mithilfe von IT-Architekturen verbunden werden. Die Herausforderung besteht unter anderem in den unterschiedlichen Ansätzen der Akteure. Im Office-Floor kommen Systeme zum Beispiel von SAP oder IBM zum Einsatz. Der Shop-Floor ist laut Wegener dagegen das Feld der Maschinen- und Anlagenbauer sowie Automatisierer, die mit völlig unterschiedlichen Ansätzen, Zielen und Werkzeugen agieren. Als verbindendes Element empfiehlt der Siemens-Experte ein branchenspezifisches Manufacturing Execution System (MES) – also ein softwarebasiertes Fertigungsmanagement-System.

Das digitale Rückgrat

PLM-Anbieter wie Siemens, Dassault Systèmes oder PTC reagieren auf die Notwendigkeit zur Integration, indem sie eigene IT-Plattformen entwickeln. Die einzelnen Lösungen unterscheiden sich nicht grundlegen. Sie alle versuchen, möglichst viele Bereiche wie Simulation, Datenverwaltung oder Fertigungsmanagement zu integrieren. Alle Anwendungen arbeiten mit einer standardisierten und konzertierten Datenbasis. Hinzu kommen weitere Funktionen, die im Industrie 4.0-Umfeld möglich werden. „PLM reicht im Zeitalter von Industrie 4.0 nicht mehr aus“, ist sich Andreas Barth sicher. Seiner Meinung nach ist die Integration in der Automobilbranche am weitesten fortgeschritten. Und in der Tat verknüpft Daimler zum Beispiel in der Motorenfertigung im Werk Untertürkheim die Produktdaten aus den PLM-Systemen mit den Produktionssystemen. Arbeits- und Montagepläne aus dem PLM stehen damit an den Arbeitsplätzen zur Verfügung. Maschinen und Werkzeuge erhalten Informationen über das aktuell zu montierende Fahrzeug und werden auf diese Weise bauteilspezifisch konfiguriert. So sind sie für jedes einzelne Produkt genau eingestellt.

Der Verband der Automobilindustrie (VDA) hat für die Einführung Digitaler Fabriken eigens einen Arbeitskreis ins Leben gerufen. Dieser organisiert den Erfahrungsaustausch rund um die digitale Planung, um ein gemeinsames Verständnis zwischen OEM und Zulieferern in Bezug auf Prozesse, Methoden und Mechanismen zu schaffen. Auf Basis gemeinsamer Projekte sollen dazu Standards, Empfehlungen und Richtlinien definiert sowie zusätzlich Anforderungen der Automobilindustrie an die Anwendung und Weiterentwicklung von Softwareprodukten für die digitale Planung definiert werden. Zur Umsetzung der vereinbarten Ziele organisiert der Arbeitskreis auch die Kooperation mit anderen internationalen Gremien und Plattformen. Branchenunabhängig agiert dagegen die Initiative „Mittelstand 4.0 – Digitale Produktions- und Arbeitsprozesse“. Sie unterstützt den Mittelstand und KMUs bei der Digitalisierung, Vernetzung und Einführung von Industrie 4.0-Anwendungen. Dazu hat die Initiative rund zwei Dutzend Mittelstand-4.0-Kompetenzzentren in ganz Deutschland aufgebaut. Dieses bundesweit flächendeckende Unterstützungsnetzwerk bietet aktuelles Know-How plus Anschauungs- und Erprobungsmöglichkeiten.

Ein Beispiel für Planungskraft und Transparenz einer Digitalen Fabrik ist die neue Trumpf Smart Factory in Chicago. Sie dient einerseits als Ausstellungsfläche für die neueste Trumpf Maschinengeneration, andererseits werden dort unter realen Bedingungen Blechteile für Kunden gefertigt. In der 55 m langen Produktionshalle demonstriert Trumpf Laserschneiden, Stanzen, Biegen, Schwenkbiegen, Entgraten und 3D-Druck. Als logistisches Zentrum dient ein Hochregallager. Dr. Heinz-Jürgen Prokop, Vorsitzender der Geschäftsführung Werkzeugmaschinen, stellt klar: „Wir wollen Blechbearbeitern natürlich keine Konkurrenz machen. Wir fertigen nur für eigene Kunden mit Kapazitätsengpässen. Aber hier können wir das Zusammenspiel von Menschen, Maschinen, Lagertechnik, Automatisierung und Software zeigen“.

Als Basis dient eine Digitale Fabrik, mitentwickelt vom Fraunhofer IPA. Dr. Prokop erläutert die Entstehung: „Zusammen mit dem Stuttgarter Fraunhofer Institut haben wir die Fertigung von 25 Trumpf-Kunden untersucht. Sie haben alle Daten offengelegt – auch ihrer Buchhaltung. Im Ergebnis ließen sich durch die Digitalisierung und Vernetzung die Erlöse verdoppeln, die Durchlaufzeiten sanken im Mittel auf ein Drittel.“ Die Erklärung dafür: Viele der Firmen arbeiteten bis dato wenig strukturiert und improvisierten häufig. Oft war auch die Fertigung nicht strukturiert, allein die Teilesuche benötigte viel Zeit. Eine Digitale Fabrik lässt solche Schwachstellen nicht zu, weil sie vor vornherein auf komplett durchorganisierten und digitalisierten Prozesse beruht.

Best Practises

Maserati nutzt als weiteres Beispiel das PLM-System von Siemens für die Integration von Produktentwicklung und Fertigungsplanung. Der Münchener Konzern lieferte auch die CAD-Software, mit dem die Fahrzeugkomponenten entwickelt werden, das System für die Simulation der Fertigungsprozesse sowie die Automatisierungstechnik für die Produktionsanlage. Die Planung, Optimierung und Überwachung der Vorgänge während der Fertigung erfolgt mit dem MES von Siemens.

Der westfälische Landmaschinenhersteller Claas arbeitet dagegen mit der IT-Plattform von Dassault Systèmes. Dabei schätzen die Anwender vor allem das einheitliche Datenmanagement. Alle beteiligten Mitarbeiter greifen auf denselben Satz an Produktdaten zu – unabhängig davon, in welcher Disziplin und an welchem Firmenstandort sie tätig sind. So finden sich Maschinenbauer, Elektroingenieure und Hydrauliker auf einer Plattform zusammen – gemeinsam mit den Planern der Digitalen Fabrik.


Serie Industrie 4.0

Wir begleiten Sie auf dem Weg zur Digitalisierung: In dieser Ausgabe beleuchten wir Einsatzbereiche, Möglichkeiten und Anwendungsbeispiele von Digitalen Fabriken.



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