So könnte die Fabrik der Zukunft aussehen

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Veröffentlicht: Montag, 21. Dezember 2020 10:18

Geschrieben von Helmut Lanke

Die Fabrik der Zukunft soll so effizient wie möglich arbeiten und sich auf dem höchsten Stand der Technik befinden.

Wie wird die Effizienz berechnet und erzielt?

In den letzten Jahrzehnten wurde alles darangesetzt, Produktionsstätten so effektiv wie möglich zu gestalten, um das höchste Output zu erreichen. Eine wichtige Kennzahl zur bestimmung dieser Effektivität ist die OEE, die Overall Equipment Effectiveness. 

Die OEE Definition besagt, dass die OEE die Gesamtanlageneffektivität ist, also "ein Maß für die Wertschöpfung einer Anlage sowie deren Verluste". Im Wesentlichen besteht diese aus dem Zusammenspiel der Faktoren Verfügbarkeit, Leistung sowie Qualität. Diese Kennzahl hängt sehr stark vom jeweiligen Unternehmen ab und ist daher auch nicht näher definiert. Die Erfassung der dafür notwendigen Daten ist schwierig und wird daher mit einer speziellen Software durchgeführt.

Aus der Gesamtanlageneffektivität und der Gesamtserviceeffizienz ergibt sich die Gesamtverwaltungseffektivität des Unternehmens. Bei der Serviceeffizienz werden Verluste, Stillstandzeiten, Streiks, Wartung, Pausen, etc. berücksichtigt.

Welche Technologien stehen zur Verfügung?

Hinter dem Projekt "Polyline" steht das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt für die Additive Fertigung. In den letzten Jahren hat die industrielle Fertigung mit dem 3D-Druck-Verfahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. 3D-Bauteile nehmen daher einen immer höheren Stellenwert ein. Damit diese jedoch für die Produktion abgerufen werden können, müssen sie im digitalen Bauteilekatalog enthalten sein. Für die Aufnahme benötigt es jedoch einer präzisen Druckbarkeitsanalyse. Diese Art der Fertigung funktioniert schneller und kostengünstiger, weswegen vor allem in der Automobilindustrie die Tendenz stark in Richtung Industrie 4.0 geht.

Dabei spielt eben auch die OEE Kennzahl eine große Rolle. Die Druckbarkeitsanalyse stellt eine OEE Kennzahl im kleineren Rahmen dar. Ersatzteile, Serien sowie Maschinenwerkzeuge werden bereits seit Längerem nach dieser Methode erzeugt. Dafür benötigt es einer leistungsfähigen Software-Lösung, die den gesamten Produktionsprozess fast vollständig automatisiert, steuert und überwacht. Eine dieser Lösungen ist das Product-Lifecycle-Management-System (PLM). Dieses Programm begleitet die industrielle Fertigung eines Bauteils vom CAD-Programm über die Prüfung, die zentrale Speicherung bis hin zum Produktionsauftrag an den 3D-Drucker.

Das Polyline Projekt

Polyline steht für "integrierte Fertigungslinie zur Anwendung polymerbasierter AM-Technologien" und wurde vom Bundesministerium mit 6,7 Millionen Euro staatlich gefördert. Geplant ist, dass 15 Forschungs- und Industriepartner aus Deutschland bis 2023 im Rahmen des Projekts zusammenarbeiten. Dabei geht es um die einzigartige AM-Produktionslinie für 3D-gedruckte Automobilteile auf dem BMW Additive Manufacturing Campus. Das ist eines der großen deutschen Leuchtturmprojekte der Industrie 4.0.

Das Herzstück ist das PLM-System von 3 Yourmind. Dabei handelt es sich um die zentrale Datenverwaltung zwischen allen Software- und Hardware-Systemen. Die validierten Fertigungsaufträge werden an die Polyline-Produktion weitergeleitet. Danach gehen sie an das Manuacturing-Exectuion-System (MES). Das Ziel besteht darin, dass die Automatisierung auf 90 Prozent erhöht werden soll. Der Digitalisierungsgrad soll sogar 100 Prozent erreichen. Dadurch wird die neue Produktionslinie konkurrenzfähiger im Vergleich zu anderen Verfahren.

Was gehört alles zu einem leistungsfähigen PLM-System?

Die zentralen Schritte der AM-Wertschöpfungskette bestehen aus der Analyse des Inventars, dem Use-Case-Screening, dem digitalen Bauteilekatalog, der Ausrichtungsoptimierung sowie der Druckbarkeitsanalyse. Darüber hinaus stehen weitere hilfreiche Tools, wie zum Beispiel Schnittstellen (ERP, MES) sowie die CAD-Integration zur Verfügung. Die Druckbarkeitsanalyse beinhaltet auch, ob die Wandstärke ausreicht oder ob noch eine zusätzliche Stützkonstruktion erforderlich ist. Dadurch werden teure Fehldrucke vermieden. Da diese eine zusätzliche händische Nachbearbeitung erforderlich machen.

Welche weiteren Vorteile bietet Polyline sowie OEE?

Die Beschleunigung verschiedener Produktionsprozesse stellt einen enormen Vorteil der Industrie 4.0 dar. Prototypen sind sehr produktions- und zeitaufwändig. Jene, die mit einem CAD-Programm entworfen wurden, können innerhalb weniger Stunden ausgedruckt sowie auf Tauglichkeit geprüft werden. Ist das Ergebnis zufriedenstellend, kann der neue 3D-Bauteil mit den relevanten Parametern in das digitale Inventar aufgenommen und immer wieder verwendet werden. In der AM können auch bereits bestehende Bauteile auf ihre Einsatzfähigkeit getestet werden.

Welche Voraussetzungen muss das bestehende System erfüllen?

Eine PLM setzt voraus, dass darüber hinaus noch ein CAD-Programm und eine nahtlose Anbindung des PLM-Systems an andere Software gewährleistet sein müssen. Die höchste Stufe an Daten- und Zugriffssicherheit muss ebenfalls gegeben sein.

Welche Ziele werden angestrebt?

Fabriken müssen auch 2030 noch zukunftsfähig, nachhaltig und profitabel produzieren können. Dazu ist es notwendig, dass die Produktion flexibel bleibt, was KI und Cobots (kollaborative Roboter) ermöglichen sollen. Das heißt in Zukunft müssen die Produktionslinien auf mehreren mechantornischen Modulen (Polyline) aufgebaut sein. Das geschieht mit mehreren Cobots und Robotern. Die virtuelle Inbetriebnahme ist nur einer der vielen innovativen Ansätze.

Branchenweite Standards zur Maschinenvernetzung sind ein weiterer Schritt. Dabei spielen natürlich standardisierte Protokolle wie OPC, UA, TSN eine entscheidende Rolle. Drahtlose Protokolle wie 5G gehören selbstverständlich auch dazu. Maschinen werden dann mit Cloud-Systemen verbunden, um leistungsfähig Algorithmen (Engineering- und Business-Daten) anwenden zu können. Zur Entwicklung von KI sowie vorausschauender Wartung ist Edge Computing unerlässlich.

Ersetzt Industrie 4.0 die menschliche Arbeitsleistung?

Nein, der Mensch steht nach wie vor im Zentrum des Geschehens, plant, überwacht und greift ein, wenn es notwendig sein sollte. Digitalisierung sowie Industrie 4.0 dienen dem Menschen als Tool und nicht umgekehrt. Mit VR kann der Mensch Materialflüsse, Produktionsprozesse oder das Design optimieren. Das Ergebnis kann mit 3D-Druck optimal angepasst werden. Die Ausbildung der Mitarbeiter muss dem neuen Stand der Technik selbstverständlich angepasst werden. Nur wer flexibel und lernfähig ist, bleibt wettbewerbsfähig und wird Teil der Industrie 4.0 sein. "Production on demand" verhindert lange, kostspielige Lagerzeiten.

Industrie 4.0 beinhaltet eine Menge innovativer Ansätze, Ideen und zum Teil schon erfolgreich verwirklichter industrieller Verbesserungen. OEE liefert dafür die Grundlage. Die Fabrik der Zukunft ist zwar größtenteils digitalisiert, braucht aber immer noch den innovativen Menschen, um wirklich reibungslos funktionieren zu können.

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Bildquelle: https://pixabay.com/de/photos/industrie-technologie-maschine-3d-3225119/