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Industrie 4.0 in der Fertigung: Die selbstorganisierende Werkstattproduktion

Die intelligente Fertigung 4.0

Der Begriff „Industrie 4.0“ wird überall dort verwendet, wenn es um die Zukunft der Industrie geht, die in vielen Bereichen bereits immer deutlichere Konturen annimmt.

Laut Arbeitskreis Industrie 4.0 versteht man darunter „eine Vernetzung von autonomen, sich situativ selbst steuernden, sich selbst konfigurierenden, wissensbasierten, sensorgestützten und räumlich verteilten Produktionsressourcen (Produktionsmaschinen, Roboter, Förder- und Lagersysteme, Betriebsmittel) inklusive deren Planungs- und Steuerungssysteme“.

Wie sieht nun die Industrie 4.0 in der Fertigung aus?

Das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK in Berlin hat dazu das Projekt „iWePro – intelligente selbstorganisierende Werkstattproduktion“ entwickelt. Partner aus Wissenschaft und Industrie entwerfen hierbei innovative Produktionskonzepte, die eine flexible, smarte Werkstattfertigung durch die Kombination von zentraler Planung und dezentraler Fertigungssteuerung ermöglichen.

Nachfolgend einige Auszüge mit Ergänzungen aus einem Bericht des Fraunhofer Instituts:

Beispiel Zahnradfertigung:

Zahnräder werden bisher meist in Linien gefertigt, bei denen zum Beispiel Fräs- und Drehmaschinen fest verkettet sind. Fällt eine Maschine aus, steht die ganze Linie still. Zudem ist es aufwändig bis unmöglich, auf Linien Klein- oder Kleinstaufträge mit besonderen Anforderungen oder Produktmerkmalen zu fertigen. Will man hier flexibler werden, ist die Verkettung aufzuheben.

Die Alternative dazu ist die Werkstattfertigung. Diese Fertigungsphilosophie erlaubt den flexiblen Durchlauf eines Auftrags durch die Fertigung. So kann z.B. ein Drehauftrag auf allen verfügbaren Drehmaschinen ausgeführt werden, wodurch sich die Freiheitsgrade zur Optimierung massiv erhöhen. Für eine solche Fertigungsstruktur braucht man Methoden, die sicherstellen, dass Aufträge die Fertigung zuverlässig, termingerecht und kostenoptimal durchlaufen.

Im Projekt iWePro erproben IPK-Entwickler mit Partnern aus der Wirtschaft, wie sich am Beispiel einer Zahnradproduktion der Fertigungsebene ohne Verkettung zuverlässig steuern lässt.

iWePro zielt somit auf eine »smarte« Werkstattfertigung auf Basis dezentraler Strukturen mit kleinen Regelkreisen und effizienter, ergebnisorientierter Kommunikation aller am Produktionsprozess beteiligten Mitarbeiter und Ressourcen. Dabei soll die Fertigung zwar wie bisher von der Leitungsebene vorgeplant werden, denn nur eine zentrale Optimierung hat ein Gesamtoptimum im Fokus. Gleichzeitig sollen aber die Mitarbeiter auf dem Shop Floor in die Lage versetzt werden, den geplanten Ablauf aktiv zu beeinflussen, etwa um die Einhaltung von Terminen sicherzustellen.

Flexible Feinplanungs-Technologie

Konkret untersucht iWePro, ob und wie sich eine Software zur Maschinenbelegungsplanung mit einem Agentensystem verbinden lässt, das während der laufenden Produktion situationsorientierte, dynamische Anpassungen eines vorab erstellten Plans unterstützt.

Die Grundlage bildet das im Rahmen von iWePro entwickelte Feinplanungs-Tool »Job Shop Scheduler« der flexis AG. Die Software erstellt für die anstehenden Fertigungsaufträge detaillierte Produktionspläne und stellt diese in Gantt-Diagrammen dar. Diese Gantts veranschaulichen, welcher Bearbeitungsschritt eines Auftrags wann auf welcher Maschine erfolgen soll. Zudem können unterschiedliche Szenarien durchgeplant werden, indem die Fertigung beispielsweise in eine Fast Lane für Teile mit starker Nachfrage und einen flexiblen Bereich für Exoten segmentiert wird.

Aus der Feinplanung leitet das Agentensystem konkrete Handlungsempfehlungen für die Mitarbeiter auf dem Shop Floor ab. So kann die Vermittlung des Produktionsplans an die Mitarbeiter direkter erfolgen als bisher. Vernetzte Technologien machen es möglich, jedem Mitarbeiter die für ihn relevanten Teile des Plans direkt an seinem Arbeitsplatz bereit zu stellen. So wird der Zeitaufwand für Einsatzbesprechungen erheblich reduziert.

Gleichzeitig unterstützen die Agenten die situationsorientierte Anpassung des geplanten Fertigungsablaufs. Das funktioniert so: Jeder Fertigungsauftrag und jede Ressource Maschinen, Mitarbeiter, Werkzeuge etc. wird durch einen Agenten repräsentiert. Die Agenten kommunizieren und verhandeln miteinander. Steht etwa ein Arbeitsschritt eines Auftrags kurz vor dem Abschluss, fragt der die Werkstücke repräsentierende Agent bei den Agenten der Maschinen an der nächsten Bearbeitungsstation an, wer die entsprechende Bearbeitung vornehmen kann.

Die Maschinenagenten liefern unter anderem Verfügbarkeit und Kosten zurück. Auf dieser Basis wird dem Mitarbeiter, der die Bearbeitung steuert, eine Palette an Möglichkeiten angeboten, wann und an welcher Maschine der nächste Bearbeitungsschritt zu welchen Bedingungen erfolgen kann. So können schnell und effizient Entscheidungen getroffen werden.

Diese Anforderungen erfüllt – mit einem ähnlichen Konzept – auch das Feinplanungssystem Asprova APS. Es gehört zu den Welt-Marktführern  mit einem Weltmarktanteil von 58 %. Namhafte Unternehmen wie z.B. Toyota, SONY, Honda, Bombardier, Magna, etc. nutzen dieses System.  Das Besondere: Es kann an die bestehende IT-Strukturen des Unternehmens ohne Programmieraufwand adaptiert werden. Hier finden Sie weitere Infos auf der Asprova-Webseite.

Simulation

Zur Absicherung von investitionsintensiven Entscheidungen bezüglich der Umsetzung der Werkstattfertigung muss geprüft werden, ob diese tatsächlich bessere Ergebnisse liefert als die technisch sehr ausgefeilte klassische Linienfertigung. Dazu entsteht in iWePro eine aufwändige Simulation auf Basis der Software Demo3D der SimPlan AG. Mit ihrer Hilfe kann durchgespielt werden, welche Kombination aus zentraler Planung und dezentraler Umpla-nung für welchen Anwendungsfall geeignet ist. Darüber hinaus wird ein Demonstrator entwickelt, mit dem die Art und Weise der Informationsbereitstellung für Mitarbeiter auf dem Shop Floor evaluiert werden kann, etwa über Smart Devices.

Weitere Informationen zum iWePro-Projekt finden Sie auf der Webseite des Fraunhofer Instituts hier.

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