PLM So steigert der digitale Zwilling die Effizienz

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Sind Konstruktion und Fertigung nicht nahtlos miteinander verbunden, kann auch die beste Idee letztlich nur eine Zeichnung bleiben – der digitale Zwilling schafft Abhilfe.

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(Bild: Pixabay, CC0)

Beim Besuch einer modernen Produktionshalle erlebt man die atemberaubende Sinfonie von Menschen, Bauteilen, Materialien, Roboter und Maschinen – alle arbeiten auf die Minute oder sogar Sekunde genau zusammen, um Arbeitsabläufe präzise einzuhalten. Ein unglaublicher Anblick. Seit Jahren haben sich Produktionsprozesse kaum verändert, inklusive Fehlerquellen. Um Innovation voranzutreiben haben Aaron Frankel und Jan Larsson von Siemens PLM Software in diesem Artikel einen Blick darauf geworfen, wo diese Prozesse gestrafft werden können.

Kostspielige Probleme im Prozess

Jedoch basiert die Art und Weise, wie Produkte entworfen und geplant werden, immer noch auf alten Prozessen. Das ist nicht als allgemeine Kritik gemeint. Eine großartige Konstruktion ist ein gewaltiger Kraftakt. In vielen Fällen ist es eine extrem komplexe Aufgabe – Millionen von Teilen und Tausende von Mitarbeitern und Partnern oft länderübergreifend unter einen Hut zu bringen, gehört unter Umständen dazu. Gleichzeitig verlangen wichtige Märkte wie die Elektronikbranche (schnellere Prozessoren, Miniaturisierung), der Automotive-Bereich (grüne Agenda und Emissionen) und die Luftfahrt (grüne Agenda und der Trend zu Flugzeugen aus Verbundwerkstoffen) kontinuierliche Optimierung. Das bedeutet, dass neue Konstruktionen schneller entwickelt werden müssen.

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Angesichts dieser Komplexität ist die Zurückhaltung verständlich, bewährte Entwicklungsprozesse zu verändern. Vor diesem Hintergrund berichten unsere Kunden von häufig auftretenden Problemen in der Entwicklungs- und Produktionskette, die vor allem Bereiche betreffen, die anfällig für kostspielige Verzögerungen sind.

Bruch bei der Datenübergabe

Eine der größten Schwierigkeiten sehen wir darin, dass Konstruktionsteams andere Systeme verwenden als die Mitarbeiter in der Produktion. In der Praxis bedeutet das: Konstrukteure leiten den Produktionskollegen die Entwürfe weiter. Diese müssen aber den daran anschließenden Prozessplan mit der Software erstellen, die sie auch sonst verwenden. In diesem Szenario – und das ist leider ziemlich gängig – stimmen Informationen schnell nicht mehr überein.

Produktionssysteme immer aktuell halten

Auch bei der Erstellung von Plänen für die Fertigungsanlagen gibt es noch Optimierungsspielraum. Das liegt daran, dass die Layouts häufig noch mittels 2D-Skizzen und Blaupausen erstellt werden. Der zeitliche Aufwand dafür ist hoch. Die Pläne sind zwar ein wesentlicher Teil des Prozesses, aber gleichzeitig sind sie sehr unflexibel. Oft stellen wir fest, dass Änderungen an der tatsächlichen Anlage in den Plänen nicht richtig reflektiert werden. In schnelllebigen Märkten wie der Unterhaltungselektronik, in denen Produktionssysteme ständig aktualisiert und erweitert werden müssen, kann das schnell problematisch werden. Warum? 2D-Pläne sind nicht intelligent in die Prozesse eingebunden, ihnen fehlen wichtige Informationen. Für Hersteller ist das jedoch notwendig, damit sie jederzeit genau wissen, was produziert wird.

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Probleme in der Prozessvalidierung

Nach dem Layout geht es im Arbeitsablauf typischerweise mit der Prozessvalidierung weiter. Auch in diesem Bereich gibt es zahlreiche Möglichkeiten zur Steigerung der Effizienz. Hersteller warten in der Regel, bis die neue Ausrüstung im Einsatz ist, um zu sehen, ob sie eine gute Leistung bringt. Wenn das nicht der Fall ist, ist es oft bereits zu spät, um eine alternative Lösung zu suchen.

Schließlich gibt es zwei weitere Bereiche, in denen Kunden über Herausforderungen berichten: Durchsatzleistung und Fertigungsausführung.

Informationen aus der Fabrikhalle zurückspielen

Aufgrund der Komplexität moderner Produktionsanlagen sowie der häufig fehlenden Koordination zwischen den verschiedenen Software- und Planungssystemen kann es schwierig sein, einzelne Bereiche herauszufiltern, die für Verzögerungen verantwortlich sind. Wenn es dann um die Fertigungsausführung geht, berichten Kunden häufig, dass es schwierig ist, die Leistung zu messen. So lässt sich auch nicht feststellen, ob der Prozess wirklich so funktioniert, wie er geplant war. Die Herausforderung ist es, Informationen aus der Fabrikhalle an die Teams aus Produktentwicklung, Konstruktion und Fertigung zurückzuspielen.

Der digitale Zwilling in den einzelnen Prozessstufen

Was ist also zu tun? Im Folgenden werfen wir einen Blick auf unsere zentrale Idee, an der sich die wichtigsten Schritte im Produktionsprozess orientieren sollten, um effizienter zu werden: der digitale Zwilling. Diese virtuelle Kopie einer Sache soll sich möglichst realistisch verhalten. Wir haben unsere Product-Lifecycle-Management-(PLM-)Werkzeuge darauf ausgerichtet, einen kompletten digitalen Rahmen zu schaffen, in dem digitale Zwillinge modelliert werden können. Was bedeutet das? Anhand der gleichen Stufen, die vorab genannt wurden, haben wir Schlüsselbereiche identifiziert, die am wichtigsten sind:

  • Konstruktion: Mit der Software NX (und anderen CAD-Systemen) können wir ein Modell des Produkts erstellen und es in Teamcenter als 3D-JT-Modell öffnen. Die Software kann innerhalb von Sekunden Tausende verschiedener Variationen des Produkts virtuell erstellen, so als ob es tatsächlich gebaut würde. Sie stützt sich dabei auf Big-Data-Technologien, Beschreibungen von Product and Manufacturing and Information (PMI), die mehr Auskunft über Produkttoleranzen und Komponenten geben, und eine Beschreibung des Herstellungsprozesses, um eventuelle Konflikte zu erkennen.
  • Prozessplanung: Der digitale Zwilling kann die Zusammenarbeit zwischen den Teams aus Entwicklung und Fertigung optimieren. Dadurch wird besser planbar, was gemacht werden muss, wie es ausgeführt werden sollte, welche Ressourcen notwendig sind und wo das Produkt hergestellt werden sollte. Nehmen wir eine Baugruppe als Beispiel, die verbessert wurde. Mit unseren Tools kann das Planungsteam die aktualisierte Materialliste (BOM) verwenden, um neue Schritte in ein 3D-Arbeitsmodell des bisherigen Prozesses einzugeben. Jedes Produktionssystem lässt sich überall modellieren. Indem es den Zeitaufwand für die neuen Prozesse im Vorfeld berechnet, kann das Team rechtzeitig feststellen, ob mit dem neuen Arbeitsablauf die Durchschnittsziele pro Produkteinheit noch erfüllt werden.
  • Layout: Wir empfehlen, den digitalen Zwilling gleich zu Beginn zusammen mit dem Layout der Produktionsanlage zu erstellen – mit allen Details zu Mechanik, Automation und Ressourcen. Er sollte in die Umgebung für Produktentstehung und Fertigung eingebettet sein. Mit einer Kombination von PLM-Werkzeugen können per Drag & Drop Zellen, Ausrüstung und Personen an die richtige Stelle in der Fertigungsstraße gezogen und der Arbeitsablauf simuliert werden – ein sehr unkomplizierter und effektiver Weg, um die Fertigungsstätte einzurichten und Änderungen durchzuführen.
  • Prozessvalidierung: Der digitale Zwilling eignet sich auch, um den Montageprozess digital zu validieren. Das intelligente Modell nutzt quantitative Analysen und berücksichtigt alle menschlichen Faktoren im Prozess, beispielsweise Themen wie Arbeitshaltung, um Ermüdung und Verletzungen zu vermeiden. Der Bericht lässt sich darüber hinaus bei Trainings einsetzen mit Videos und Prozessrichtlinien, die eigens für Mitarbeiter erstellt werden.
  • Durchsatzoptimierung: Zudem kann mithilfe des digitalen Zwillings das geplante Produktionssystem statistisch simuliert und bewertet werden. So lässt sich evaluieren, ob Menschen oder Roboter oder aber eine Kombination aus beiden eingesetzt werden sollten. Alle Arbeitsabläufe können simuliert werden – bis hin zur Frage, wie viel Energie durch die Produktionsanlagen verbraucht wird, um den Prozess weitestgehend zu verschlanken.
  • Fertigungsausführung: Die Ausführung in der Produktion lässt sich verbessern, indem der digitale Zwilling als Bindeglied zwischen der physischen und virtuellen Welt genutzt wird. Herstellungsanweisungen werden direkt an das Kon-struktionsteam weitergegeben, sodass die beteiligten Mitarbeiter sie zusammen mit den zugehörigen Videos abrufen können. Die Maschinenführer können Daten aus dem Produktionsbereich zurückspielen, während andere automatisierte Systeme gleichzeitig Leistungsdaten sammeln können.

Ein neuer Ansatz

Mithilfe eines digitalen Zwillings können Probleme schneller erkannt, die Produktion beschleunigt und Kosten über die ganze Produktionskette hinweg reduziert werden. Er gibt Planungssicherheit: Man weiß, der Entwurf lässt sich auch wirklich umsetzen. Der Plan wird kontinuierlich synchronisiert und ist immer auf dem neusten Stand; die Produktion läuft, wie erwartet. Zudem lässt sich erkennen, welche neuen Technologien integriert werden können – ohne Kaufrisiko. Eine der fortschrittlichsten Branchen der Welt hat sich bei der Herstellung lange auf bewährte Ansätze verlassen – jetzt ist es an der Zeit, etwas Neues zu wagen. (mz)

Hannover Messe 2016: Halle 6, Stand K18

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