Fertigungstechnik: Total digitale Produktion

Fertigungstechnik: Total digitale Produktion

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Fabrikplanung mit CAD-Software, hier von Siemens PLM

Fabrikmanager erhoffen sich von der lückenlosen Abbildung der Produktion im Computer schnellere Abläufe, bessere Qualität und niedrigere Kosten.

Alexander Neutze seufzt. Schon zum zweiten Mal in diesem Jahr muss der Entwickler die viel gefragte Webcam des Unternehmens neuen Kundenwünschen anpassen. Bei dieser Gelegenheit soll die Kamera eine höhere optische Auflösung erhalten und die Zahl der Bauteile deutlich reduziert werden. Am Computer hat Neutze das Produkt flink umkonstruiert. Das war kein Problem. Jetzt muss er allerdings noch einen Zulieferer finden, der eine neue Spritzgussform für das überarbeitete Kunststoffgehäuse preiswert und zuverlässig anfertigen kann. Zudem sind neue Bauteile zu beschaffen. Und schließlich müssen die Roboter am Montageband neu programmiert werden.

Bevor der Produktionsleiter des Unternehmens die Änderungen in das Product-Lifecycle Management-System (PLM) eingibt – ein Systems, das alle Daten, die ein Produkt von der Entwicklung bis zur Entsorgung erzeugt, verwaltet und zusammenführt –, simuliert er den künftigen Produktionsprozess rasch auf seinem PC. Keine gravierenden Probleme, seine Kollegen haben gute Arbeit geleistet, registriert er zufrieden und gibt die Daten frei.

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Alles Weitere regelt das IT-System weitgehend von selbst: Es erstellt eine Dispositionsliste für den Einkauf, konfiguriert den Produktionsprozess um, plant die Personalkapazität, informiert den Vertrieb und auch das Marketing über das neue Produkt. Automatisch reicht es die Daten sowohl an das Manufacturing Execution-System weiter, das die Durchlaufzeiten, Maschinenauslastung, Produktausbeute und Qualität überwacht, als auch an das Enterprise-Resource-Planning-Programm. Kurzum: Es optimiert den Ressourceneinsatz eines Unternehmen. Niemand braucht die Daten ein zweites Mal zu erfassen, umzuschreiben und neu einzugeben.

Das Beispiel ist Fiktion. Doch Heerscharen von Ingenieuren und Softwareentwicklern arbeiten daran, dass daraus bald Wirklichkeit wird. Das Ziel: Jedes neue Produkt entsteht zunächst komplett im Rechner. Es wird dort optimiert, komplett durchgetestet und für die Herstellung vereinfacht. Parallel dazu entstehen virtuelle Produktionsanlagen, auf denen der Zusammenbau wirklichkeitsnah simuliert wird bis hin zum Serienstart. Erst wenn alles perfekt ist, wird die reale Produktion aufgebaut oder angepasst. Die lückenlose Abbildung und Erprobung aller Produktionsabläufe im Computer, davon sind die Fabrikmanager überzeugt, bringt einen Produktivitätsschub, senkt Kosten und verbessert die Qualität.

Bisher ist die Vision von der digitalen Fabrik in den Betrieben erst in Ansätzen umgesetzt. Das Problem: Über die Jahre sind dort zahllose IT-Inseln entstanden, deren Datenbestände nicht oder nur mit erheblichem Aufwand integriert werden können. Daher setzt die Industrie meist nur einzelne Elemente ein, heißt es in einer Studie des Karlsruher Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung ISI. „Man kennt die Technologien“, bestätigt Rainer Glatz, Geschäftsführer Informatik, Software und Elektrische Automation beim Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA). „Aber es gibt noch keine breite Durchdringung.“

Die Idee der digitalen Fabrik stammt aus der Luft- und Raumfahrtindustrie. Bei den Milliarden, die etwa die Entwicklung eines Passagierflugzeugs wie des Airbus A380 kostet, versuchen die Hersteller möglichst viele Teile kostengünstig am Rechner zu entwerfen, statt teure Prototypen herzustellen. „Neuer Trendsetter ist die Automobilindustrie“, sagt Heinrich Hiesinger, Vorstandschef des Industriegeschäfts von Siemens. „Künftig werden neue Modelle erst produziert, wenn ihre digitalen Ebenbilder die simulierte Fertigung erfolgreich durchlaufen haben.“

Zu den am schnellsten wachsenden Segmenten zählt PLM-Software. Ihre weltweiten Verkäufe erreichen laut einer Prognose von CIMdata 2012 ein Volumen von rund 39 Milliarden Dollar – gegenüber knapp 25 Milliarden im vergangenen Jahr. Nach dem Kauf des US-Spezialisten Unigraphics Solutions (UGS) im vergangenen Jahr ist Siemens heute der führende Anbieter. Ein anderer Großer ist Delmia, das zum französischen Dassault-Konzern gehört. Nach Schätzungen des Werkzeugmaschinenlabors der RWTH Aachen wetteifern allein auf dem deutschen Markt etwa 60 PLM-Lösungen um Kunden.

Die Bundesregierung unterstützt die Digitalisierung in den kommenden drei Jahren mit mehr als 50 Millionen Euro. „Für unsere Position als Exportweltmeister brauchen wir intelligente Produktionsprozesse“, rechtfertigt der Staatssekretär im Bundesforschungsministerium, Frieder Meyer-Krahmer, die Förderung.

Zumal Software ein immer wichtigerer Bestandteil von Maschinen und von Automatisierungstechnik wird, beides Märkte, auf denen deutsche Ausrüster dominieren. VDMA-Experte Glatz schätzt den heutigen Wertschöpfungsanteil von IT-Programmen schon auf bis zu 30 Prozent. Nach einer Studie des amerikanischen Beratungsunternehmens AMR Research werden mittlerweile rund 20 Prozent aller Produkt- und Fertigungsänderungen virtuell vorgenommen.

Aus gutem Grund. Das Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA hat ausgerechnet, dass Simulationen die Produktivität um zehn Prozent erhöhen, während die Kosten für die Planung neuer Fertigungsanlagen um 20 Prozent sinken. Siemens erwartet sogar Effekte von 30 bis 50 Prozent und hofft auf Einsparungen von ungefähr einer Milliarde Euro in seinen eigenen Werken.

„Heutzutage lassen sich ein Produkt und seine Fertigung nicht mehr losgelöst voneinander betrachten“, betont VDMA-Experte Glatz. So wird eine neue Montagelinie heute meist parallel zum Produkt entworfen. Passen die Teile zusammen? Droht der Materialfluss an einer Stelle ins Stocken zu geraten? Die Simulation legt schon am Rechner mögliche Schwachstellen bloß. Ist die Fabrik dagegen erst einmal gebaut, verschlingt jede nachträgliche Änderung viel Geld.

Die Anschaffung rechnet sich nach den Erfahrungen aus vielen Projekten meist ziemlich schnell. So identifizieren PLM-Programme zum Beispiel alle Teile einer Fertigungsanlage, die sich für ein Nachfolgeprodukt weiter verwenden lassen. „Das kann die Investitionskosten um 20 bis 30 Prozent senken“, schätzt Siemens-Experte Olaf Brandt.

Simulationen zeigen auch schnell, ob auf einer Anlage mehrere Produkte gefertigt werden können. Manche Kunden bauen heute laut Brandt bis zu sechs Modelle auf einer Produktionslinie. „Das war früher undenkbar.“ Ebenso lassen sich Umbauzeiten enorm reduzieren, wenn das Umrüsten zuvor im Rechner geprobt wurde.

Um die Integration der Software-Pakete zu erleichtern, setzt die Branche auf eine stärkere Standardisierung sowie offene Systeme. „Im Bürobereich ist der Einsatz von PCs längst unverzichtbar und eine Selbstverständlichkeit. Dieser Prozess findet jetzt in ähnlicher Form in der Fabrik statt“, hat Glatz beobachtet. Mit dem Vorteil, dass Maschinen plötzlich in ein Informationsnetz eingebunden werden können, übers Internet kommunizieren und sich Software-Produkte aus dem kommerziellen Bereich nutzen lassen. Allerdings wächst mit Vernetzung und Offenheit auch die Gefahr, Opfer von Datendiebstahl zu werden. Glatz: „Maschinenbauer müssen sich plötzlich Gedanken darüber machen, wie sie ihre Anlagen vor Viren, Hackern und Trojaner schützen.“

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