DI Dr. Christoph Pollak studierte technische Chemie in Wien, Amsterdam und Strassburg. Nach merhrjähriger Erfahrung in der Wirtschaft war er als Projektleiter für den Aufbau der Pilotfabrik Industrie 4.0 der TU Wien verantwortlich und ist nun Geschäftsführer des K1-Zentrums "CDP - Center for Digital Production" tätig.

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Wie die Digitalisierung eine Losgröße 1-Produktion unterstützen kann

Ein Leitfaden für den Weg zur individualisierten Serienfertigung: Über Datendisziplin, Gesamtvisionen und die "Show Stopper" auf mechanischer Seite.

Im Bereich der Prototypenfertigung und der High-Mix-Low-Volume Produktion findet man nach wie vor bei der Mehrzahl der Unternehmen eine stark manuell geprägte, von individuellen Fachkräften abhängige „Werkstattproduktion“. Teilweise sind hier sogar noch Werkzeugmaschinen ohne CNC-Steuerung im Einsatz, deren Maschinenbediener sich dem Pensionsalter nähern, ohne dass entsprechende Nachfolger geschult werden und zur Verfügung stehen. Diese Situation stellt heimische Lohnfertiger bzw. unternehmensinterne Fertigungsbereiche vor die folgenden Herausforderungen:

  • Die vorhandene Prozessdokumentation ist nicht vollständig bzw. nicht mit den Auftragsdaten konsistent, was eine effiziente Bearbeitung von Wiederholungsaufträgen erschwert.
  • Der Ausfall einzelner Mitarbeiter erschwert oder verhindert die Auftragsdurchführung.
  • Abnehmer mit hohen Dokumentationsanforderungen (Medizintechnik, Luft & Raumfahrt) bleiben für die Anbieter unadressierbar.
  • Eine Stabilisierung der Auslastung durch die Eintaktung von Klein- und Mittelserien über Phantomschichten ist nicht möglich.
  • In der Erstkalkulation müssen Ausschussteile berücksichtigt werden, was die Wettbewerbsfähigkeit beeinträchtigt.
  • Beim Austausch zwischen Kunden und Herstellern auf Basis der fertigungstechnischen Möglichkeiten über die endgültige Ausführung mit Designiterationen werden die Feedbackschleifen verzögert.

Aufgrund des vorhandenen gebundenen Investments, der Heterogenität der vorhandenen Systeme und der Notwendigkeit, die betroffenen Mitarbeiter in die Einführung neuer Lösungen einzubinden, gehen wir davon aus, dass die Digitalisierung der Losgrößen-1 Fertigung inkrementell ablaufen wird. An welcher Stelle angesetzt werden sollte, hängt von der jeweiligen Situation in den Betrieben ab. Trotzdem ist es wichtig einer Gesamtvision zu folgen, um Doppelgleisigkeiten und Sackgassen zu vermeiden. An der TU-Wien werden diese Themen und mögliche Lösungsansätze seit mehreren Jahren am Institut für Fertigungstechnik (IFT) intensiv beforscht. Auf Basis des umfangreichen Partnernetzes konnten daraus die Pilotfabrik Industrie 4.0 und das CDP (Center for Digital Production) für die Bearbeitung dieser Themen begründet werden. In diesem Kontext haben wir beim CDP Schwerpunktthemen für die Entwicklung adaptiver, individualisierter Produktion identifiziert.

Virtuelle AV

Wer sicherstellen möchte, dass ein Teil ohne Vorversuche produziert wird, kommt um eine vollständige und korrekte virtuelle Abbildung des Bearbeitungszentrums nicht herum. Moderne CAM-Simulationssysteme unterstützen hier die Anwender bereits mit mächtigen Tools. Diese verlangen ein hohes Maß an „Datendisziplin“ sowohl bei der AV als auch an der Maschine, d.h. die Maschinenmodelle und Simulationsbedingungen müssen exakt mit der Realsituation übereinstimmen. Das CDP beschäftigt sich aktuell mit der Vorhersage von Prozessbedingungen wie zum Beispiel auftretende Schnittkräfte, Schwingungen oder Werkzeugerwärmungen. Diese Vorhersagen werden durch Simulationen gestützt und helfen eventuelle Abweichungen während des Fertigungsprozesses frühzeitig zu erkennen und diesen entgegenzuwirken.

White Paper zum Thema

Additive Verfahren

Additive Verfahren sind nicht nur in der Lage, einzigartige Geometrien herzustellen, sie vereinfachen auch den digitalen Beschaffungsprozess. Da der Fertigungsprozess direkt aus dem 3D-Modell erzeugt werden kann, gibt es bereits digitale Beschaffungsplattformen für 3D-Druckteile. Hinzu kommt, dass mit additiven Fertigungsverfahren traditionell hergestellte Bauteile mit zusätzlichen Features ausgestattet werden können. CDP beschäftigt sich derzeit mit beiden Themen. So wird an einer digitalen Plattform gearbeitet mit der der Beschaffungsprozess von verschiedenen Bauteilen, die sowohl additiv als auch klassisch gefertigt werden, optimiert werden kann. Zudem wird an einer additiven Fertigungsstation gearbeitet, die in der Lage ist, gefräste Bauteile nachträglich mit funktionellen Features (z.B. Dichtungen, Ummantelungen) zu bedrucken. 

Sensorintegration

Zur optimalen Nutzung und Steuerung der verfügbaren Fertigungsressourcen ist es notwendig, reale Prozessparameter angelehnt an den aktuellen Stand der Technik in hoher Qualität zu aggregieren.  Die Ergänzung von Fertigungsinfrastrukturen mit präzisen optischen und mechanischen Sensoren ist ein Hauptaugenmerk bei der Erarbeitung von Prozesslösungen vom CDP. In diesem Zusammenhang sind Reaktionszeiten im Millisekundenbereich notwendig, um rechtzeitig eingreifen und Maßnahmen zur Schadensvermeidung setzen zu können. In Kombination mit drahtloser Datenübertragung, die den Sensoreinsatz an rotierenden Teilen oder transportablen Spannvorrichtungen ermöglicht, arbeitet das CDP an der Entwicklung von geeigneten Kommunikationsprotokollen, die eine Real-Time Übertragung im industriellen Umfeld gestatten.

M2M – Machine to Machine Communication

In einer flexiblen Produktionsumgebung müssen verschiedene Fertigungselemente je nach Aufgabenstellung neu kombiniert werden können. Hier fällt übergeordneten Steuerungsebenen die Aufgabe zu, Ressourcen aufzufinden und anzusprechen. Neben der Bearbeitung eines aktuell gefragten und weit verbreiteten Ansatzes (OPC UA) beschäftigt sich das CDP auch mit der Entwicklung und Integration alternativer Ansätze, die auf REST und MQTT beruhen. Dies ermöglicht eine Entkopplung der Maschinensteuerung zur Prozessablauflogik, womit ein Vendor-Lock-in vermieden wird. Das CDP entwickelt hier gemeinsam mit industriellen Partnern – Maschinenherstellern und Anwendern – Connectoren und Plattformschnittstellen.

Verschmelzen von Dokumentation mit Exekution

In der Regel existieren in den meisten Fertigungsbereichen zahlreiche, nicht direkt gekoppelte Ebenen der Prozessbeschreibung und der ausführenden Einheiten. Dies beginnt bei der Verknüpfung der Auftragserfassung (Artikelnummern) mit den physischen Produktinformationen (CAD-Modelle, Zeichnungen, Rohmaterial), betrifft weiters die Konsistenzsicherung zwischen Fertigteilgeometrien und den Fertigungsanweisungen und zieht sich weiter über Montageanweisungen bei Baugruppen und Q-Prüfplänen.

CDP verfolgt hier den Ansatz, die im Bereich der ERP Systeme bereits etablierten Business Process Model Notation als allgemeine Beschreibungssprache zu verwenden, die gleichzeitig zur Orchestrierung der Produktionsabläufe dient. Dies soll dem Anwender die Möglichkeit geben,  ohne Programmierkenntnisse den ausführbaren Prozess selbst zu designen. Durch diesen Ansatz werden die Daten von allen an der Produktion beteiligten Ressourcen (Maschinen und auch Mitarbeitern) prozessorientiert aggregiert. Die dadurch entstandenen Trace-Daten, welche über die Business Logik des Ablaufs hinausgehen, können somit für Anwendungsbereiche, wie Predictive Maintenance oder KPI Ermittlung verwendet werden, ohne eine Anpassung am Datenmodell vorzunehmen. Bei der Implementierung verfolgt das CDP den Ansatz, bei überschaubaren Fertigungsabschnitten zu beginnen, und den Umfang der Erfassung schrittweise zu erweitern.

Prädiktives Qualitätsmanagement und Kostenanalyse

Durch die prozessorientierte Erfassung der Daten ergeben sich Chancen für eine verbesserte Q-Sicherung. Hierbei werden entscheidende Parameter definiert, mit deren Hilfe die Qualität des Produkts vorab bestimmt werden soll. Zudem erlaubt das Verfahren eine leicht standardisierbare Kostenanalyse, da sowohl Werkzeug als auch Dauer einer Operation auf Maschinenebene gespeichert wird. Die Anwendung von AI-Technologien erlaubt die Erkennung von Ähnlichkeiten und unterstützt so die Kalkulation von Neuaufträgen.

Vom digitalen Prozesszwilling zur Automatisierung

Der nächste Schritt besteht in der teilweisen bidirektionalen Einbindung von Maschinen oder Automatisierungskomponenten: Auf der Ebene der Maschinenschnittstellen können Prozessparameter, Ablaufprogramme o.ä. an die Maschinenebene übertragen und deren Ausführungen dort aufgerufen werden. Dies kann schrittweise auf alle Maschinen ausgedehnt werden. Das CDP arbeitet hier insbesondere auch an der Einbindung von der Qualitätskontrolle (Bauteilvermessung). Praktische Beispiele haben hier gezeigt, dass eine automatisierte Erfassung der (manuell ausgeführten) Messvorgänge bereits ein hohes Einsparungspotential nach sich zieht. Eine Vollautomatisierung des Messvorganges wurde durch das CDP im Rahmen der Pilotfabrik Industrie 4.0 der TU-Wien ebenfalls bereits prototypisch umgesetzt. Damit wird eine „vollständige Phantomschicht“: Teilebereitstellung, Intralogistik, Maschinenbeladung, Teilevermessung, Sortierung und gegebenenfalls Nachproduktion von niO-Teilen möglich.

Während auf der SW-Ebene die Individualisierung/Losgrößen-1-Produktion zwar neue Konzepte der Erfassung der heterogenen Prozessdatenstrukturen erforderlich macht, ist hier die jeweils einmalige Ausführung einer Sequenz von unterschiedlichen Prozessmodellen kein Problem. Auf der „mechanischen“ Seite dagegen kann die veränderliche Bauteilgeometrie zum „Show-Stopper“ werden, wenn Transportbehälter, Greifer und Spannmittel nicht verfügbar sind bzw. deren Anschaffungskosten in keinem Verhältnis zum Nutzen der Automatisierung stehen. Aus diesem Grund verfolgt das CDP hier den Ansatz, konfigurierbare Transportmedien, die mit FDM-gedruckten Formeinsätzen bestückt werden, zu verwenden. Dies erlaubt die Sicherstellung einer definierten Bauteillage während des gesamten Prozessablaufes. Die 3D-Druckteile können leicht aus den Bauteilgeometrien abgeleitet werden und ihre Herstellung bedingt keine weitere Arbeitsvorbereitung. Bei kleinen Stückzahlen können auch allenfalls komplexe Greifergeometrien auf dieselbe Weise bereitgestellt werden. Obwohl immer wieder unlösbare Automatisierungsaufgaben übrig bleiben werden, wäre bereits eine Anwendung auf eine Großzahl der Fälle für viele Unternehmen ein großer Schritt nach vorne.

Fazit: Erfolg bringen interdisziplinäre Teams & klare Zielsetzungen

Die Digitalisierung insbesondere der Fertigung kleiner Losgrößen erfordert einen schrittweisen Übergang von der Prozessdokumentation zur Prozessautomation. Für die Lösungsentwicklung braucht es interdisziplinäre Teams aus Fertigungstechnikern, Mechatronikern und Informatikern und eine klare Zielsetzung seitens der Unternehmensleitung.