Resilienz Bringen Sie mehr Leichtigkeit in Ihre Produktion!

Autor / Redakteur: Victoria Sonnenberg / Mag. Victoria Sonnenberg

Wie flexibel und wandlungsfähig ist Ihre Produktion? Wenn noch Luft nach oben ist, finden Sie hier Vorschläge und Anregungen, wie und warum Sie Ihre Produktion zukunftsorientiert(er) auslegen sollten.

Anbieter zum Thema

Die Idee hinter der Wertstromkinematik: mit wenigen Elementen die ganze Wertschöpfungskette abzudecken und ganze Produktionslinien relativ schnell aufzubauen. Hier am Beispiel der Montage eines Fahrradrahmens.
Die Idee hinter der Wertstromkinematik: mit wenigen Elementen die ganze Wertschöpfungskette abzudecken und ganze Produktionslinien relativ schnell aufzubauen. Hier am Beispiel der Montage eines Fahrradrahmens.
(Bild: wbk/KIT)

Die letzten Monate hätten der Industrie nicht deutlicher den Spiegel vorhalten können: von Flexibilität und Wandlungsfähigkeit kaum eine Spur. Nur einige wenige Unternehmen reagierten während der Pandemie schnell und stellten ihre Produktionslinie um, so zum Beispiel auf die dringend benötigte Maskenherstellung. So schnell, wie sich das Verhältnis von Angebot und Nachfrage umkehren kann, so schnell sollte im Optimalfall darauf reagiert werden können. Dennoch blickte ein Großteil der Industrie hilflos in verwaiste Hallen. Auf stillstehende und fest montierte Maschinen, weil es für deren Endprodukte schlichtweg keinen Bedarf gab. Extremsituationen wie die Pandemie aber auch sich verändernde Anforderungen aus dem Markt sollten bei Unternehmen weder Existenzängste schüren, noch sie an die Schwelle zur Insolvenz tragen. Ein Wunschszenario wäre das Begrüßen von Abwechslung und nicht die Angst vor Veränderung. Aber wie kann dieses Wunschszenario zur Realität werden?

Einen aktuellen Vorschlag, um starre Produktionslinien aufzubrechen, bringt das wbk Institut für Produktionstechnik am KIT, gemeinsam mit den Partnern Grob und Siemens, in Form des Forschungsprojektes Wertstromkinematik. Ein gewagter, unkonventioneller, vielleicht aber genau deshalb richtiger Plan B für Unternehmen, die auf unerwartete Veränderungen schnell und unkompliziert reagieren wollen.

Produktionslayout so einfach wie Lego

Bei der Wertstromkinematik handelt es sich um ein individuelles Konzept für die wandlungsfähige Produktion der Zukunft. Die Vision beschreibt die Abdeckung des gesamten Wertstroms von Produktionssystemen durch einheitliche, auf Vertikal-Knickarmrobotern basierende Standardkinematiken. Die einfache und schnelle Änderung eines Produktionslayouts wird durch ein Raster aus Nullpunkt-Spannsystemen unterstützt. Dieses Raster erstreckt sich über die gesamte Produktionsfläche und ermöglicht ein schnelles Neupositionieren der Standardkinematiken auf den vorgegebenen Spannpositionen, vergleichbar einer Legoplatte, auf der sich die Bausteine beliebig und mit geringem Aufwand neu positionieren lassen. Eine Engineering-Plattform hilft dabei, die Planungs- und Inbetriebnahmezeit des Produktionssystems deutlich zu verkürzen. Ausgangspunkt ist das CAD-Modell des Endprodukts. Aus dem 3D-Modell werden die Merkmale des Produkts und die zur Fertigung benötigten Produktionsprozesse abgeleitet.

Auf Nachfrageschwankungen kann kaum reagiert werden

Dieses mögliche Zukunftsszenario der Produktion ist noch weit entfernt vom Status quo. Aktuell produziert der Großteil der Unternehmen auf hoch spezialisierten Maschinen. Bei einem Auftragswechsel müssen diese relativ zeitaufwendig umgerüstet werden. Je nach Größe des Auftrags stellt sich zudem die Frage der Kapazitätsabdeckung. In großen Betrieben, wie in der Automobilbranche, verhält es sich ähnlich: Die Möglichkeit auf Nachfrageschwankungen zu reagieren, ist häufig kaum gegeben. „Genau dort setzt die Wertstromkinematik an: Wenn wir alle ganz ehrlich sind, wissen wir nicht, was wir wann produzieren müssen“, sagt Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer, Institutsleiter Maschinen, Anlagen und Prozessautomatisierung am wbk Institut für Produktionstechnik.

Und weil sich daran auch in Zukunft nichts ändern wird, steigt die Attraktivität von Kinematiken, die ihre Aufgabe erst durch den Endeffektor erhalten. Sie können komplett auf der Softwareebene direkt am Rechner programmiert und innerhalb kürzester Zeit umkonfiguriert werden, um ein anderes Produkt zu fertigen. Während herkömmliche Roboter hauptsächlich auf die Handhabung beschränkt sind, lassen sich mit den Universalkinematiken darüber hinaus sowohl Bearbeitungs- als auch Qualitäts- und Montageprozesse realisieren. So kann man mit wenigen Elementen die ganze Wertschöpfungskette abdecken und ganze Produktionslinien relativ schnell aufbauen.

Universalmaschinen in einzelne Module zerlegen

„Unsere Idee ist eine Art Universalmaschinenbaukasten. Wenn wir diese Kinematiken gedanklich in riesigen Stückzahlen produzieren, werden deren Preise auch schnell sinken und damit ist das für Unternehmen aller Größen eine durchaus interessante Lösung“, so Fleischer weiter. Dabei sollen genau so viele Kinematiken zum Einsatz kommen, wie auch ausgelastet werden. Sollte ein größerer Auftrag anstehen, könnten weitere Kinematiken wie bei einem Baumaschinendienst geleast werden.

Wenn die Produktion zum Service wird

„Ich glaube, dass sich hier ganz andere Geschäftsmodelle entwickeln werden und die Produktion ein Service wird. Aus meiner Sicht geht es nicht mehr darum, dass wir große Stückzahlen unter reinem Kostendruck produzieren, sondern dass wir in Deutschland einfach schneller sein und schneller auf sich ändernde Anforderungen reagieren müssen“, so die Erwartungen von Fleischer. Zum Zeitpunkt der Maskenknappheit hätte man aus den Universalkinematiken mit Unterstützung der Engineeringplattform eine Linie konstruieren können.

Ein Engineeringdienstleister hätte dann zum Beispiel das Programm erstellt und verschiedene kleine Unternehmer hätten sich diese Datensätze runterladen und Masken in ihren Hallen produzieren können. Vorstellen kann man sich das wie beim 3D-Druck. Aus dem CAD-Modell eines Bauteils wird automatisiert ein Druckprogramm erstellt, das auf den Drucker geladen wird, um das Teil zu drucken. Nur, dass man bei der Wertstromkinematik nicht einzelne Teile adressiert, sondern komplexe Produkte.

„Jetzt kann auch ein Unternehmen, das diese Programmierleistung nicht realisieren kann beziehungsweise will, das Produkt mit seinen Kinematiken erzeugen und dabei die ganze Vorbereitung und Planung einkaufen. Es bekommt die Einrichtungspläne und setzt die Kinematiken einfach an der richtigen Stelle ein.“ Wünschenswert für das Team rund um Fleischer wäre eine Art Community, die alle erdenklichen Werkzeuge wie Bohrer, Fräser, Schweißapplikation et cetera für die Kinematiken anbietet, die dann wie in einer Art App-Store geliehen oder erworben werden können.

Zeit sparen und Präzision erhöhen

„Daraus ergibt sich nicht nur eine extreme Flexibilität, sondern es werden auch neue Geschäftsmodelle entstehen, vorstellbar bis zu einer Schreinerei oder allgemein Handwerksbetrieben“, denkt Fleischer das Szenario weiter. Hat der Schlosser zum Beispiel ein Geländer zu schweißen, dann könnten zwei Kinematiken die Vorrichtung halten und die dritte Kinematik übernimmt die Schweißnähte. Das spart nicht nur Zeit, sondern erhöht auch die Präzision.

„Wir sehen alle, dass unsere Produktionen zu unflexibel sind. Maschinen werden angeschafft und für die nächsten 30 Jahre am Boden festgeschraubt. Eigentlich müssen wir Maschinenreihen auch so zusammenstellen können, wie es für den Wertstrom am besten ist.“ Für Fleischer stellt sich die Frage, wie man sich differenziert, wenn immer nur unter Kostengesichtspunkten produziert wird. Wer einzelne Produktionsschritte immer weiter spezialisiert und dann über das Produktionsvolumen teurere Spezialmaschinen amortisiert, ist seiner Meinung nach bei Großserien mit Spezialmaschinen immer besser beraten.

„Aber mit unserem Ansatz adressieren wir die Klein- und Mittelserie vor dem Hintergrund, dass jede Branche ihrer Produktion individueller gestaltet, die Variantenvielfalt steigt und Serienstückzahlen sinken.“ Über diesen Servicegedanken und die Differenzierung nicht über Kosten, sondern über Zeit könnte sich Deutschland weltweit einen Wettbewerbsvorteil verschaffen.

Spezialbearbeitungen bleiben Präzisionsmaschinen vorbehalten

Erst vor Kurzem stellten die Wissenschaftler das Forschungsprojekt vor. Nun beginnt die Phase, in der konkret mit Unternehmen ins Detail gegangen wird. „Es soll nicht der Eindruck entstehen, dass alles, was produziert werden kann, auch mit den Kinematiken abgedeckt werden kann. Dennoch gibt es viele Aufgaben, die bereits heute damit machbar sind“, so Fleischer. Spezialbearbeitungen, zum Beispiel in der Automobilbranche, werden nach wie vor Aufgabe von hochpräzisen Maschinen bleiben. Aber dort, wo die Toleranzen nicht im Mikrometerbereich, sondern vielleicht Hundertstel- oder Zehntelmillimeter betragen, soll vorerst angesetzt werden.

Dass die Universalkinematiken auch parallelgeschaltet werden können, demonstrierten die Forscher anhand einer E-Bike-Herstellung. Bei dem Einpressen eines Lagers koppelten sie zwei Kinematiken, um so die Kraft zu erreichen, die in diesem Fall eine einzelne Kinematik nicht aufbringen konnte. „Indem sie Kinematiken parallelschalten, können Anwender Kraft und Präzision verstärken und dringen damit auch teilweise in Präzisionsklassen vor, die Werkzeugmaschinen vorbehalten waren. Im Grunde entsteht aus einer seriellen Kinematik eine Parallelkinematik, was technisch bedeutet, dass sich die Steifigkeiten beider Kinematiken addieren.“

Wozu die Kinematiken kombiniert mit der Engineering Plattform imstande sein werden, wird die Zukunft zeigen. Fleischer ist aber heute schon zuversichtlich, dass auf der digitalen Ebene der Engineering-Plattformen in Zukunft noch viel passieren wird. „Ich glaube, dass die Freiheitsgrade, die uns Industrie 4.0 gibt, höchste Produktivität bei Losgröße 1 ermöglicht. Das, was in Sekunden auf dem Rechner passiert, muss allerdings auch unten auf dem Hallenboden funktionieren. Da ist es ein notwendiger nächster Schritt, dass wir auch entsprechend unsere Produktionshardware flexibilisieren, damit Industrie 4.0 auch wirklich zur Wirkung kommen kann.“

Klarer Wandel hin zur Flexibilisierung

Während dem wbk unter anderem die Konzeptentwicklung zukam und Siemens für die Software, Automation und Steuerung verantwortlich zeichnete, übernahm Grob als Maschinenhersteller die Umsetzung des Projekts. Traditionell verwurzelt in der Automotive-Branche, verkauft Grob seit über 40 Jahren Maschinen und Automationslösungen direkt an OEMs. Will man in dieser hart umkämpften Branche bestehen, gehören Wandlungsfähigkeit und Flexibilität zum Tagesgeschäft.

„Rückblickend auf die letzten 20 Jahre waren unsere Maschinen sehr starr und vom Anwendungsbereich auf ein oder zwei Kundenwerkstücke ausgelegt. Nach und nach zeichnete sich ein klarer Wandel hin zur Flexibilisierung ab, nicht zuletzt, weil die Typenvielfalt gewachsen ist und die Linienauslegung hinsichtlich Stückzahl variabler werden musste“, sagt Christian Lisiecki, Leiter Business Unit Zerspanungssysteme, Grob-Werke.

Von Transferstraßen zu verketteten Anlagen

Weil eine Flexibilisierung der Zerspanungsmaschinen in den letzten Jahren stattgefunden hat, verkauft der Maschinenhersteller seine Bearbeitungszentren vermehrt in verketteten Anlagen und kaum noch Transferstraßen, wie es früher der Fall war. Die gibt es zwar immer noch, allerdings für Spezialanwendungen. Ein zweiter Wandel, den Grob miterlebt hat, ist eingetreten, als die Stückzahlen pro Typ kleiner wurden und OEMs mehr und mehr ihre Fertigung der Kernkomponenten von Verbrennungsmotoren an ihre Tier-1-Zulieferer ausgelagert haben. Was dazu führte, dass die angefragten Anlagen deutlich kleiner wurden.

„Im Bereich der Bearbeitungsmaschinen haben wir diesem Thema bereits vor 15 Jahren Rechnung getragen und den Wechsel von Transferstraßen zu G-Modulen realisiert“, fährt Lisiecki fort. Während sich Bearbeitungszentren auf ein anderes Werkstück umrüsten ließen, sah das bei den vor- und nachgelagerten Automationsstationen anders aus. Um auch hier die gewünschte Flexibilität zu erreichen, kommt die Wertstromkinematik auf den Plan.

Automation bleibt aufwendig

„Die Zeiten, in denen für ein Projekt in 30 oder mehr Maschinen für einen Werkstücktyp investiert wurde, sind nahezu vorbei. Wir erleben einen ganz klaren Wandel der Investitionsgrößen hin zu fünf oder zehn Maschinen“, sagt Lisiecki. Unabhängig vom Volumen der Maschinen bleibt die Automation aufwendig und nicht wiederverwendbar, sobald sich die Bestimmung der Maschinen ändert. Genau dort will die Wertstromkinematik ansetzen und die Automation rund um die Fertigung einfacher gestalten.

„Unsere Vision ist, dass der Kunde sein Werkstück und die Bearbeitung kennt und ihn dann die Software dabei unterstützt, die richtigen Kinematiken auszuwählen, zu platzieren und die Bewegungsabläufe zu programmieren“, so Lisiecki weiter. Auf diese Weise sollen die Eintrittsbarrieren von nicht automationsaffinen Branchen gesenkt werden, da kein Roboterwissen erforderlich sei. Weil die Nachfrage nach automatisierter Beladung groß ist, hat Grob selbst eine Roboterzelle speziell für kleinere Kunden entwickelt, die zuvor die Maschinen per Hand beladen haben. Lisiecki: „Wozu wir uns auch gerade Gedanken machen, da uns dazu viele Kundenanfragen erreichen, sind fahrerlose Transportsysteme, die die Roboterzellen versorgen.“ Diese Themen versucht Grob auch selbst intern umzusetzen. FTS werden zum Beispiel für die eigene Montage geplant. Auch die Wertstromkinematik könnte für Grob interessant werden. Eine vorstellbare Anwendung wäre die Prototypenfertigung von Elektromotoren im Haus. „Da gibt es sich wiederholende Schritte, weshalb ein kleines Setup durchaus ein mögliches Szenario für eine Kinematik wäre“, sagt Lisiecki abschließend.

Von der Individualisierung hin zur Modularisierung

Kommt die Sprache auf Flexibilisierung durch Automation, ist meist auch Kuka nicht weit. Schweißtechnisch groß geworden in der Automobilbranche, passte sich der Automatisierungsgigant aus Augsburg über die Jahre den Anforderungen des Markts an. Wir sprachen dazu mit Veit Müller, Vertriebsleiter für die Kuka Deutschland GmbH, über flexible Technologiezellen, die genauso zum Produktportfolio gehören wie Roboter. „Wir haben früher sehr kundenspezifische Technologiezellen entwickelt, individuell engineert und konstruiert. Der Markt hat sich aber weiterentwickelt und Kunden haben damit begonnen, ihre eigenen Standards zu entwickeln. Damit wir mithalten konnten, mussten wir flexibler werden, um zeitnah auf Kundenwünsche eingehen zu können.“ Um diesem Tempo Rechnung zu tragen, ging man weg davon, jede Zelle neu zu konstruieren.

Um wettbewerbsfähig bleiben und mit der Geschwindigkeit der Kunden mithalten zu können, griff man immer mehr auf bestehende Konstruktionen, eigene Standards zurück. In den letzten Jahren hat man mit der Modularisierung der Zellen begonnen. Dazu wurden auch Technologie-Bundles entwickelt, mit denen der Anwender, je nach Aufgabe, seine Zellen selbst gestalten kann.

Teilegleichheit erlaubt Kuka, kostengünstiger zu sein

„Die Modularisierung bezieht sich nicht nur auf die Gestaltung der Zellen, sondern auch auf das Zellenkonzept an sich. Wir haben Zellen, die entsprechend flexibel zur jeweiligen Produktionsanforderung zu ganzen Linien modular zusammengesetzt werden können.“ Mit sogenannten Tech-Paketen kann auf gleicher Basis eine neue Zelle aufgebaut werden, dabei bleiben die Plattform, die Bedien- sowie die Sicherheitsphilosophie gleich. Die Teilegleichheit erlaubt es Kuka, nicht nur schneller, sondern für den Kunden auch kostengünstiger zu sein. „Durch den modularen Aufbau fällt es uns viel leichter, Ersatzteile vorzuhalten und einen 24/7-Service anzubieten.“ Die kürzeren Zyklen und damit auch schnelleren Produktionsumstellungen in der Automobilindustrie wurden berücksichtigt, indem der Produktionswechsel in den Zellen durch die Visualisierung, Steuerung und Digitalisierung möglichst effektiv und schnell erfolgen kann. Dadurch werden die Zeitverluste durch die Umrüstung auf ein Minimum reduziert, somit auch kleinere Produktionsvolumen wirtschaftlich produzierbar. Dies ist auch für den Mittelstand interessant, um flexibel und in einer größeren Spannbreite wirtschaftlich produzieren zu können.

Schwankungen der Produktionsauslastung in der Automobilbranche sind durchaus üblich. Zulieferer müssen ein Plusminus von 20 % abdecken können, das bedeutet, dass sie eine Auslastungsschwankung bis zu 40 % kompensieren müssen, so die Anforderung durch die Automobilisten. Gerade die Anlaufphase eines Projekts bedingt über die Zeit ansteigende Produktionszahlen. Genau in diesen Fällen kommt die Modularisierung ins Spiel. „Wenn Kunden in eine Anlage investieren, die über die Lebenszeit nicht konstant ausgelastet werden kann, steht viel Equipment ,leer‘, das nicht effektiv genutzt wird.“

Kuka ist dann gefordert, gemeinsam mit dem Kunden eine Lösung zu finden. „Wir schlagen dann vor, mit einer Linie zu beginnen, die den Stückzahlen, zum Beispiel in einer ersten Anlaufphase, gerecht wird. Wenn die Produktion in der Hochlaufkurve dann wirklich anzieht, erlaubt das Anlagenkonzept, entsprechende Module nachzurüsten. „So hat der Kunde dann zu Beginn nicht den hohen Anfangsinvest, kann die Anlage effektiv nutzen und ist in der Vorfinanzierung des Projektes bessergestellt.

Mit Technologiezellen dem Fachkräftemangel entgegenwirken

Technologiezellen führen nicht nur in der Automobilindustrie zu Produktionssteigerungen, sondern gleichermaßen auch im Mittelstand zu mehr Effizienz und Produktionssicherheit. „Wenn wir in den kleinen Mittelstand gehen, dann sehen wir mit den Technologiezellen gerade dort den Erfolg, wo ein Fachkräftemangel vorherrscht. Bei einem exemplarischen Unternehmen, das wuchs und die Produktion steigerte, fehlte Personal für Schweißaufgaben. Durch die Limitierung kam der Gedanke, die Produktion zu automatisieren. Zudem konnte der Kunde über das automatisierte Schweißverfahren die Produktivität und die Konstanz in der Qualität deutlich steigern. Gemeinsam mit dem Kunden haben wir dann auf Basis einer Standardzelle ein Konzept entwickelt, woraufhin der Kunde in eine Roboterzelle zum Schweißen investierte.“

Das Zellenportfolio ermöglicht es Kuka, verstärkt den Mittelstand zu adressieren. „Unser Vorteil liegt klar in der eigenen Prozessentwicklung. Zudem bieten wir alles aus einer Hand: Roboter, Zelle, Peripherie sowie Prozess-Know-how. Das ist ein wichtiger Punkt gerade für kleine Unternehmen, da sie dadurch nur einen Lieferanten haben.“

DMG Mori steigert Produktivität und der Kunde spart

Bereits seit Jahren verfolgt DMG Mori den Ansatz, die Produktion durch Automatisierung und Digitalisierung flexibler zu gestalten. Dass sich Innovationen auch auf den Kunden positiv auswirken, stellt die zukunftsorientierte Monoblock Excellence Factory unter Beweis – eine kontinuierliche Fließmontage, bei der die 5-Achs-Bearbeitungszentren der Monoblock-Baureihe via fahrerlose AGV-Transportsysteme montiert werden. Mit dem positiven Effekt einer deutlichen Produktivitätssteigerung, die DMG Mori an seine Kunden weitergibt. Durch die Fließmontage reduzieren sich die Preise der Monoblock-Modelle um 10.000 Euro, zusätzlich wird das Genauigkeitspaket in den Standard integriert. Somit ergibt sich für Kunden ein Preisvorteil von 30.000 Euro.

V.l.: Michael Horn, Mitglied des Vorstands der DMG MORI AG und Reinhard Musch, Geschäftsführer der Deckel Maho Pfronten GmbH.
V.l.: Michael Horn, Mitglied des Vorstands der DMG MORI AG und Reinhard Musch, Geschäftsführer der Deckel Maho Pfronten GmbH.
(Bild: DMG Mori)

„Unser Ziel war es für unsere Kunden hochflexible Produktions- und Montageprozesse sicherstellen zu können und somit noch schneller den individuellen Bedürfnissen unser Kunden Rechnung zu tragen“, sagt Michael Horn, Vorstandsmitglied der DMG Mori AG. Dabei wurden bei der Konzeption Fachkräfte von Anfang an miteinbezogen, um Prozesse hinsichtlich Ergonomie zu verbessern. „Außerdem unterstützt eine eigens entwickelte Tulip App jeden einzelnen Montageschritt. Dies geschieht mit maschinenspezifischen Arbeitsplänen für jeden Takt und das jeweils notwendige Material. Bei neu eingeführten Ausstattungs- oder Sonderoptionen unterstützen Detailzeichnungen und Videoanleitungen die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter“, ergänzt Reinhard Musch, Geschäftsführer der Deckel Maho Pfronten GmbH.

Fließmontage: Monoblock-Maschinen in sieben Tagen montieren

Die AGVs bewegen die Maschinen autonom mit einer Geschwindigkeit von 45 mm/Minute durch die Montagestationen. Eine optische Navigation mittels Laserscan-Technologie sorgt dabei für einen kontinuierlichen Ablauf. In 34 Takten – vom Grundaufbau über die Geometrie und Kabine der Maschine bis zur Endabnahme – entsteht in einer Fließmontage ab sofort der komplette Modellmix der Monoblock-Baureihe inklusive der Varianten mit Palettenwechsler (DMC) und Fräs-Dreh-Tisch (FD). Im Vergleich zu schienengeleiteten Systemen stellen die AGVs eine wesentlich flexiblere Lösung dar, um die Infrastruktur der Fertigung zu optimieren. Bei Taktzeiten von zweieinhalb Stunden ist jede Monoblock-Maschine fortan in nur sieben Tage fertig montiert. Dies entspricht einer Reduktion um 30 %. Ein signifikanter Produktivitätssprung, der die Kapazitäten am Standort von bisher 600 auf nun mehr als 1000 monoblock-Maschinen pro Jahr steigert.

Die hohe Nachfrage bestätigt, dass Monoblock-Maschinen ein wichtiger Baustein des Portfolios von DMG Mori sind. Mit der Monoblock Excellence Factory wurde nun eine Basis geschaffen, Fertigungsprozesse weiter voranzutreiben und kurze Lieferzeiten mit vollem Produktmix zu bieten. „Die neue Monoblock Excellence Factory bietet uns und unseren Kunden so viele Vorteile, dass wir dieses Konzept auch in andere Werke transferieren werden“, so Horn abschließend.

(ID:46867415)