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Digitalisierung im Maschinenbau Effizienter konstruieren mittels Advanced Machine Engineering

Mehr Flexibilität und Intelligenz sollen Maschinen aufweisen, dazu neue Technologien wie KI und IoT integrieren, aber auch sicher und zuverlässig funktionieren. Um diesen Anforderungskatalog unter einen Hut zu bekommen ohne jeden Zeit- und Kostenrahmen zu sprengen, müssen Maschinenbauer Produktentwicklung, Konstruktion und Fertigung enger miteinander verzahnen. Ein Konzept von Siemens unterstützt dies durch übergreifende Digitalisierung aller Prozesse.

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Für smarte Maschinen brauchen Maschinenbauer intelligentere Software-Lösungen
Für smarte Maschinen brauchen Maschinenbauer intelligentere Software-Lösungen
(Bild: Siemens Digital Industries Software)

Maschinenbauer unter Druck

Die industrielle Fertigung hat sich in den vergangenen Jahren stark gewandelt. Hier treffen globale Megatrends zusammen, die Anlagenbauer unter Druck setzen – und der Maschinenbau ist gefordert, deren steigenden Anforderungen umzusetzen.

Insbesondere in der Konsumgüterindustrie werden die Produktlebenszyklen kürzer, teils können Kunden die Angebote des Standardsortiments nach eigenen Wünschen konfigurieren – im Extremfall bis zum individuellen Produkt (Losgröße 1). Die Maschinen müssen zum einen in der Lage sein, auch Varianten automatisiert zu fertigen, zum anderen sich schnell auf neue Produkte umstellen lassen. Die Antwort liegt in flexibleren, intelligenteren Maschinen, die durch die Kombination von Maschinellem Lernen, Software-Paketen und Automation den veränderten Anforderungen gerecht werden. In Summe erwächst hier eine Fülle von Optionen beim Engineering von Maschinen und Anlagen. Da jeder Kunde eigene Schwerpunkte setzt, wird für den Maschinenbau das Customizing zunehmend wichtiger.

Das belegt auch eine Untersuchung von Tech Clarity. Laut der Studie „Best Practices for Developing Industrial Equipment“ sind die wichtigsten Geschäftsstrategien im Maschinenbau Innovation (45 Prozent der Nennungen) und kundenspezifische Anpassungen (43 Prozent der Nennungen).

Daneben legen auch datenbasierende Dienstleistungen zu Prozessoptimierung, Maschinenüberwachung und -management zu – wobei auch externe Dienstleister die Wertschöpfung des Maschinenbauers angreifen. Die Unternehmensberatung McKinsey erwartet, dass die Anpassung der Maschinen an solche neue Geschäftsmodelle den Umsatz im Industriellen Internet der Dinge (IIoT) um 20 bis 35 Prozent steigen lässt. Bis zum Jahr 2025 werden 24 Milliarden neue Devices das Internet der Dinge erweitern.

Advanced Machine Engineering

Für den Maschinenbauer bedeutet das: Einerseits muss er eine höhere Komplexität bei Mechanik, Elektrik und Software beherrschen, andererseits sollen die Entwicklungszeiten kürzer werden. Darüber hinaus gilt, es, die After-Sales-Services auszuweiten, um seine Kunden im laufenden Betrieb bei der Effizienzoptimierung zu unterstützen.

Diese Herausforderungen kann der Maschinenbau nur mit einer konsequenten strategischen Ausrichtung aller Entwicklungsprozesse auf diese Ziele bewältigen. Die Basis dafür liefert eine durchgängige Digitalisierung, die sich wie ein roter Faden durch alle Phasen des Produkt Lifecycle zieht. Ziel muss es sein, neue Effizienzpotenziale zu heben und Fehlermöglichkeiten zu minimieren, indem die Qualität der Prozesse verbessert wird.

Siemens hat dazu das Konzept des „Advanced Machine Engineering“ (AME) entwickelt, das die Digitale Transformation des Maschinenbaus umfassend unterstützt – sowohl in der Produktentwicklung wie auch bei Konstruktion und Fertigung. Dabei gilt es, sowohl selbst digitale Werkzeuge zu nutzen, als auch die Maschinen weiter zu digitalisieren, so dass die Anlagenbetreiber schneller vom Einsatz innovativer Technologien profitieren können. Wer diesen Ansatz konsequent verfolgt, kann seine Entwicklungsprozesse stark beschleunigen und das Time-to-Market entscheidend verkürzen.

Digitaler Zwilling als Datenzentrale

Um Effizienz- und Zeitgewinne tatsächlich realisieren zu können gilt es, die vorhandenen Daten einer Maschine konsequent über alle Phasen des Lifecycles hinweg zu nutzen. In der Vergangenheit führten hier Medienbrüche und fehlende Standards zu Mehraufwand, weil beispielsweise grundlegende Informationen an unterschiedlichen Stellen wiederholt erfasst werden mussten. Zudem erwies sich dies immer wieder als Fehlerquelle, die sich im schlimmsten Fall bis zur Inbetriebnahme auswirkte und zu Verzögerungen führen konnte.

Das Portfolio von Siemens Digital Industries Software macht diesem Drama ein Ende, denn Tools und Anwendungen unterstützen den „Digitalen Zwilling“, von den Normierungsgremien auch als „Verwaltungsschale“ betitelt. Der digitale Zwilling ist eine Datensammlung, die eine Maschine, eine Anlage oder eine einzelne Komponente digital abbildet, mit Maßen und Funktionen, verwendeten Elementen und deren Verknüpfung.

Wird dieser digitale Zwilling über die gesamte Lebensdauer der Maschine konsequent gepflegt, also auch bei Wartung, Umbau oder Retrofit, dann gibt er jederzeit Auskunft über die aktuelle Ausprägung und den Zustand der Maschine. Dies ist ein unerlässlicher Geschwindigkeits- und Effizienzvorteil in allen Phasen des Lifecycles, angefangen beim Advanced Machine Engineering über Betrieb und Instandhaltung bis hin zu Rückbau und Recycling.

Ein Beispiel liefert die italienische Biesse Group, die sich dem AME-Konzept von Siemens verschrieben hat. Statt technische Informationen in Ordnern und Handbüchern nachzuschlagen, stellen die eingesetzten Tools die benötigten Informationen quasi auf Knopfdruck zur Verfügung. Der Effekt ist nicht zu unterschätzen: Die Zeit für das Abrufen von technischen Produktinformationen hat sich durch Nutzung des digitalen Zwillings um 10 bis 20 Prozent reduziert.

Überholte Abgrenzung überwinden

Maschinenbauer, die auf Advanced Machine Engineering setzen und dabei den digitalen Zwilling als zuverlässigen, zentralen Datenpool – einen „Single Point of Truth“ – nutzen, verzeichnen messbare Vorteile bei allen Schritten von der ersten Idee bis hin zur Inbetriebnahme. Dazu ist es aber teilweise nötig, die traditionellen Abläufe auf eine neue Grundlage zu stellen.

Ein Beispiel ist der Konstruktionsprozess. Üblich war früher, Mechanik und Elektrik getrennt von Schaltplänen und Software zu entwickeln. Doch je mehr Flexibilität und Intelligenz benötigt wird, um so mehr müssen Funktionen, die ehemals elektromechanisch gelöst waren, in Software abgebildet werden. So wuchsen diese Bereiche zuletzt immer mehr zusammen.

Mit Advanced Machine Engineering von Siemens können Maschinenbauer nun den konsequenten Schritt hin zu einer fachübergreifenden Konstruktion vollziehen. Dies erfordert zwar eine Kombination von Fähigkeiten und Fertigkeiten in einem stärker kollaborativen Umfeld. Es zahlt sich jedoch in der Entwicklungsqualität einer Maschine aus und verkürzt die Zeit bis zur Markteinführung. So berichtet beispielsweise Tronrud Engineering aus Norwegen: „Wir konnten die Konstruktionsphase um etwa 10 Prozent verkürzen, bei der Inbetriebnahme um 20 bis 25 Prozent.“

Vorteile der „Virtuellen Maschine“ nutzen

Dass die Norweger nach der Konstruktionsphase noch einen deutlich höheren Effizienzgewinn verzeichnen, beruht auf dem Einsatz von Simulationen, um Entwicklungen zu überprüfen und Fehler zu beheben, noch bevor die Maschine physisch fertiggestellt ist. Auf Basis des digitalen Zwillings lässt sich mit Hilfe der Siemens-Tools eine virtuelle Maschine erschaffen, in der Mechanik und Funktionalität bereits früh getestet werden können: die Simulation des Programmablaufs zeigt das Maschinenverhalten anhand der vorliegenden Steuerungssoftware.

Dieser Aspekt des Advanced Machine Engineerings spart sowohl Zeit als auch Kosten. Denn in der virtuellen Welt richtet eine Kollision keinen echten Schaden an, und frühzeitig entdeckt, lässt sich der Fehler wesentlich einfacher und kostengünstiger beheben.

Dabei reichen die Möglichkeiten der Simulation noch viel weiter. Mit Hilfe von Visualisierungen kann ein Kunde bereits vor dem Kauf sehen, wie eine Maschine läuft, wie sie sich bedienen lässt und welche Optionen sie bietet. Per Virtual Commissioning können das Einfahren und die Abnahme einer Maschine in einer sicheren – virtuellen – Umgebung erfolgen. Und auch Schulung und Training von Maschinenführern kann früher erfolgen, so dass die Maschine deutlich früher in den produktiven Einsatz geht.

Bei Eisenmann Conveyor Systems hat man diese Vorteile bereits erkannt und nutzt sie konsequent, sowohl im Umfeld der Entwicklung mit Siemens PLM als auch im Vertrieb. „Unser Simulationsmodell aus Plant Simulation gehört bei vielen Kunden zum Lieferumfang. Viele von ihnen setzen selbst Plant Simulation ein und wissen daher, wie sie eine Simulation ihrer Anlage starten und die richtigen Parameter ändern können. Dieses virtuelle Abbild ihrer realen Anlage bildet also einen großen Vorteil für unsere Kunden,” sagt Dr. Heiner Träuble, Simulation Expert Automotive Paint Systems bei Eisenmann.

Von der Einkaufsliste zum Hard- und Software-Verzeichnis

Wenn in der Simulation, wie von Träuble beschrieben, Parameter geändert werden, dann bedeutet das in der Konstruktion den Einsatz anderer Komponenten, beispielsweise stärkerer Antriebe oder Pumpen, die wiederum Änderungen an der Verkabelung, bei Umrichtern und nicht zuletzt auch der Steuerung nach sich ziehen.

Auch an dieser Stelle zeigt sich, wie Siemens Advanced Machine Engineering den Konstruktionsprozess vereinfacht und beschleunigt. Die Bill of Material (BoM) ist hier nicht länger die „Einkaufsliste“ als Endergebnis des Konstruktionsprozess, sondern steht als multidisziplinäre Stückliste im Rahmen des digitalen Zwillings von Anfang bis Ende des Lebenszyklus‘ zur Verfügung. Sie enthält nicht nur ein Verzeichnis der verwendeten Hardware, sondern auch der verwendeten Software, inklusive der über die Lebenszeit verwendeter Varianten und Module.

So lassen sich Optionen zur Standard-Ausstattung oder auch kundenspezifische Konfigurationen einfacher verwalten, Varianten nachverfolgen und die das Projekt- und Änderungsmanagement digital abwickeln. Ebenso dient die BoM als Informationsquelle für Wartung und Instandhaltung im laufenden Betrieb, und nicht zuletzt auch bei der Außerbetriebssetzung. Die Integration der Software in den digitalen Zwilling geht weit über die Möglichkeiten eines Software-Archivs hinaus. Denn auf diesem Weg lässt sich jede Software-Variante für jede Seriennummer einer Maschine rückverfolgen und abrufen.

Fazit

Die Digitalisierung des Maschinenbaus ist keine Option für eine mehr oder minder weit entfernte Zukunft, sondern bereits Realität. Die Vorreiter dieses von Siemens entwickelten Konzepts zeigen, dass die Umstellung auf Advanced Machine Engineering zu wahren Effizienzsprüngen führen kann. Die Zeit, bis eine Maschine produktiv geht, kann um bis zu 50 Prozent reduziert werden, allein bei der Inbetriebnahme lassen sich bis zu 25 Prozent einsparen.

Zugleich unterstützt die Digitalisierung des Entwicklungsprozesses die bessere Verzahnung von Elektromechanik und IT, die aufgrund der zunehmenden Abbildung von Funktionen mittels Software unausweichlich ist. Und über den Konstruktions- und Produktionsprozess hinaus eröffnet der zugrunde liegende Digitale Zwilling dem Maschinenbauer die Chance auf eigene, innovative Service- und Geschäftsmodelle – anstatt Umsatz und Rendite an Start-ups zu verlieren, die sich als neue Wettbewerber positionieren.

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