Optimierte Kommunikation und Dokumentation - Noch lückenhafte Standards
Die digitale Fabrik schafft Mehrwert

Die digitale Fabrik beschreibt in "bits und bytes" die komplexen fertigungstechnischen Zusammenhänge zwischen Endprodukt, Produktionsprozess und-anlage. Kann man alle Bausteine zusammenfügen, kommt es zu verkürzten Projektlaufzeiten und höherer Produktivität.

HB DÜSSELDORF. Der Maschinen- und Anlagenbau erfreut sich in Deutschland guter Konjunktur. Dennoch stehen die Märkte unter Druck. Die Investitionen in neue Maschinen sinken, die Preise fallen. Die Wertschöpfung sinkt, trotz wachsenden Produktionsvolumens. Gelang es in den vergangenen zehn Jahren mit der Wende von der technik- zur zielkostenorientierten Produktentwicklung, die Ertragslage zu stabilisieren, so sind diese Möglichkeiten heute vielerorts ausgeschöpft, ohne dass die Dynamik des Preisverfalls nennenswert nachließe. Eine Möglichkeit, Wettbewerbsvorteile zu erringen und neue Märkte zu erschließen, sind Dienstleistungen auf der Basis digitaler Fabriken.

"Der Geleitzug formiert sich neu", bewertet IWKA-Technikvorstand Axel Gerhardt die aktuelle Situation bei der Entwicklung von Produktionsanlagen, die eine veränderte, immer weiter diversifizierte Arbeitsteilung zwischen produzierender Industrie und dem Anlagenbauer zur Folge hat und weiter haben wird. Aus Gerhardts Sicht sind simultanes Engineering (als Entwicklungsmethode) und die digitale Fabrik (als Dokumentationspool und Kommunikationsplattform) zwingend notwendige Werkzeuge, um dezentral verteiltes Wissen und Ressourcen zu bündeln und eine extrem arbeitsteilige produktionstechnische Welt auf informationstechnischer Ebene zu integrieren.

Simultanes Engineering ist in seinen verschiedenen Spielarten seit etwa zehn Jahren als bewährte Entwicklungsmethodik akzeptiert. Digitale Fabriken - Entwicklungsingenieure verstehen darunter die vollständige rechnertechnische Abbildung eines produktionstechnischen Systems, das aus Produktionsanlage, -prozess und Endprodukt besteht - sind in der industriellen Praxis lediglich in Ansätzen oder Teilen realisiert. Erst Mitte der 90er beginnt die Idee einer "virtuellen Produktionsanlage" die Fachliteratur zu durchdringen, ohne zunächst bei Praktikern auf nennenswerte Resonanz zu stoßen. Inzwischen haben sich die Vorzeichen gewandelt. Besonders die Automobilindustrie und deren Zulieferunternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus loten intensiv die Potenziale der Technologie aus.

Eine digitale Fabrik beschreibt in "bits und bytes" die komplexen fertigungstechnischen Zusammenhänge zwischen Endprodukt und Produktionsprozess und-anlage. Das klingt ab- strakt, ist aber von beträchtlichem praktischen Nutzen. Verfügt man über eine solch lückenlose datentechnische Dokumentation, dann lassen sich im Rechner alle Prozesse der realen Fabrik beschreiben und simulieren, lange bevor diese physisch existiert. Eine Vision, die nicht nur die Augen von Informationstechnikern heller leuchten lässt. Die präventive Optimierung via Computersimulation deckt früh Schwachstellen auf, unterstützt das simultane Engineering und verkürzt so Planung und Realisierung. Zudem ist das umfassende Rechnermodell ideales Hilfsmittel auch zur Optimierung der laufenden Anlage.

Die Investoren lockt der Mehrwert durch zusätzliche Information und Kommunikation. Schon heute existieren eine Vielzahl von Softwarekomponenten, wie CAD-Bausteine oder 3D-Simulationswerkzeuge, die Teile des Produktionsprozesses unterstützen. Woran es jedoch mangelt, ist deren Verknüpfung. Zwar existieren Netzwerke und Kommunikationsstandards zur überbetrieblichen Kommunikation, wie das Ethernet oder TCP/ IP, doch die Hersteller von Anwendungssoftware schaffen vielerorts noch ihre eigenen Dialekte, um die problemlose Kommunikation mit Konkurrenzprodukten zu hintertreiben. Auch auf der Maschinenebene fehlen Standardprotokolle - eine Lücke, die das Ethernet füllen wird.

Gelingt es, alle Bausteine zur digitalen Fabrik zusammenzufügen, erwarten Planer deutlich verkürzte Projektlaufzeiten und höhere Produktivität. Da Simulationen weniger aufwendig sind als Umbauten an realen Maschinen, lässt sich u.a. die für eine Produktionsanlage unter Kostenkriterien wichtige Anlaufphase (die Zeit zwischen Inbetriebnahme und Erreichen der Nennleistung) weiter verkürzen. Mit den gegenwärtigen Planungsmitteln stellen Anlaufzeiten von sechs Monaten in der Automobilindustrie einen Spitzenwert dar. "Ohne den extensiven Einsatz digitaler Fabriken ist das nächste Ziel - eine Anlaufphase von nur mehr drei Monaten - nicht zu schaffen", ist Axel Gerhardt überzeugt, denn nur so könne man die komplette Fabrik im Vorfeld virtuell testen und Fehler rechtzeitig ausmerzen. Künftig werde die reale Fabrik erst gebaut, wenn Stückzahl und Qualität in der digitalen Fabrik nachgewiesen wurden, ist auch bei VW nachzulesen.

Die ideale digitale Fabrik ist ein fehlerfreies Abbild und Referenz des realen Systems. Und sie bleibt Maßstab, auch wenn die reale Fabrik die Produktion aufnimmt. Ein ständiger Soll-Ist-Vergleich zwischen virtueller und realer Anlage macht Fehler und Abweichungen - potenzielle Ursachen späterer Ausfälle - auch im laufenden Betrieb frühzeitig erkennbar. Reale Prozesse lassen sich auch in Grenzbereichen sicherer und effizienter führen und Produktänderungen rasch implementieren, da die Rechnersimulation den Zusammenhang zwischen Eigenschaften des Endproduktes und den Betriebsparametern der Produktionsanlage stets transparent darstellt. Die Offline-Programmierung minimiert die Stillstandszeiten der realen Fabrik in der Phase der Umstellung.

War Anlagentechnik bislang eher abstrakt und nur dem Fachmann zugänglich, so wird die digitale Fabrik mit Techniken der virtuellen Realität und 3D-Visualisierungstechniken anschaulich und leichter begreifbar. Kürzere Projektlaufzeiten, eine flexiblere Fertigung, die verbesserte Verfügbarkeit und damit niedrigere Gesamtkosten bringen messbaren Mehrwert. Das Arbeiten mit verteilten Ressourcen in einer globalisierten Wirtschaft wird ohne ein entsprechendes Simulationswerkzeug kaum funktionieren. Axel Gerhardt ist sich deshalb sicher, dass Automobilindustrie und Zulieferer von Maschinen und Anlagen sich "in nur ein oder zwei Jahren" auf Spielregeln für den gemeinsamen Betrieb digitaler Fabriken einigen werden.

Durch die Digitalisierung der Produktionsprozesse und-anlagen versprechen sich natürlich auch die Anlagenbauer zusätzliche Wertschöpfung. Die Entwicklung kommunikationsfähiger Maschinen und Anlagen führe, meint Gerhardt optimistisch vorausblickend, zu eigenständigen Dienstleistungen mit vielen Möglichkeiten, wie Fernüberwachung und-diagnose oder Telemetrie, die neue Wertschöpfung generieren sollen. Damit wird auch der IT-Anteil im Maschinen und Anlagenbau weiter wachsen.

Die Softwarekosten der Produktionsanlagen hätten mittlerweile ungefähr die Kosten der Mechanik erreicht, erläutert Prof. Klaus Bender vom Lehrstuhl für Informationstechnik im Maschinenwesen an der TU München. Dieser Trend setze sich weiter fort. Ganz anders vor 30 Jahren: Da betrug der Investitionsanteil der Mechanik am Gesamtwert einer Maschine noch fast 100 Prozent.

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